المعادن التي لا تلمع. طرق الحصول على المعادن

أنت تعلم أن معظم العناصر الكيميائية مصنفة على أنها معادن - 92 عنصرًا من 114 عنصرًا معروفًا.

المعادن - هذا هو العناصر الكيميائية، ذراتها التي تتبرع بالإلكترونات من الطبقة الإلكترونية الخارجية (وبعضها من الطبقة الخارجية السابقة) ، وتتحول إلى أيونات موجبة.

يتم تحديد خاصية ذرات المعدن ، كما تعلم ، من خلال حقيقة أن لها أنصاف أقطار كبيرة نسبيًا وعدد قليل من الإلكترونات (بشكل أساسي من 1 إلى 3) على الطبقة الخارجية.

الاستثناءات الوحيدة هي 6 معادن: ذرات الجرمانيوم ، والقصدير ، والرصاص على الطبقة الخارجية بها 4 إلكترونات ، وذرات الأنتيمون ، والبزموت -5 ، وذرات البولونيوم - 6.

تتميز ذرات المعادن بقيم كهربية صغيرة (من 0.7 إلى 1.9) وحصريًا خصائص التصالحية، أي القدرة على التبرع بالإلكترونات.

أنت تعلم بالفعل أنه في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لـ D.I Mendeleev ، المعادن أسفل قطري البورون أستاتين ، وأنا أيضًا فوقها في المجموعات الفرعية الجانبية. في الفترات والمجموعات الفرعية الصلصالية ، هناك انتظام معروف لك في تغيير المعدن ، ومن ثم الخصائص المختزلة لذرات العناصر.

العناصر الكيميائية الموجودة بالقرب من قطري البورون أستات لها خصائص مزدوجة: في بعض مركباتها تتصرف مثل المعادن ، وفي البعض الآخر تظهر خصائص غير معدنية.

في المجموعات الفرعية الجانبية ، الخصائص المختزلة للمعادن مع زيادة رقم سريفي أغلب الأحيان تنخفض. قارن نشاط معادن المجموعة الأولى للمجموعة الفرعية الجانبية المعروفة لك: Cu ، Ag ، Au ؛ المجموعة الثانية من مجموعة فرعية ثانوية - وسترى بنفسك.

المواد البسيطة المكونة من العناصر الكيميائية - المعادن ، والمواد المعقدة المحتوية على معادن تلعب الدور الأساسيفي "الحياة" المعدنية والعضوية للأرض. يكفي أن نتذكر أن ذرات (نون) العناصر المعدنية هي جزء لا يتجزأ من المركبات التي تحدد عملية التمثيل الغذائي في جسم الإنسان والحيوان والنبات.

على سبيل المثال ، تنظم أيونات الصوديوم محتوى الماء في الجسم ، ونقله نبض العصب. يؤدي نقصه إلى الصداع والضعف وضعف الذاكرة وفقدان الشهية ، كما يؤدي فائضه إلى زيادة ضغط الدم وارتفاع ضغط الدم وأمراض القلب. يوصي خبراء التغذية بتناول ما لا يزيد عن 5 جم (ملعقة صغيرة) يوميًا. ملح الطعام(كلوريد الصوديوم) لكل شخص بالغ. يمكن العثور على تأثير المعادن على حالة الحيوانات والنباتات في الجدول 16.

مواد بسيطة - معادن
ارتبط ظهور الحضارة بتطور إنتاج المعادن (المواد البسيطة) والسبائك (" العصر البرونزي"، العصر الحديدي).

يوضح الشكل 38 مخططًا للشبكة البلورية لمعدن الصوديوم. في ذلك ، كل ذرة صوديوم محاطة بثمانية ذرات متجاورة. تحتوي ذرات الصوديوم ، مثل جميع المعادن ، على العديد من مدارات التكافؤ الحرة وعدد قليل من إلكترونات التكافؤ.

يمكن لإلكترون التكافؤ الوحيد لذرة الصوديوم Zs 1 أن يشغل أيًا من المدارات التسعة الحرة ، لأنها لا تختلف كثيرًا في مستوى الطاقة. عندما تقترب الذرات من بعضها البعض ، عندما تتشكل شبكة بلورية ، تتداخل مدارات التكافؤ للذرات المجاورة ، بسبب تحرك الإلكترونات بحرية من مدار إلى آخر ، مما يجعل الاتصال بين جميع ذرات البلورة المعدنية.

يسمى هذا النوع من الروابط الكيميائية الرابطة المعدنية. تتكون الرابطة المعدنية من عناصر تحتوي ذراتها على الطبقة الخارجية على عدد قليل من إلكترونات التكافؤ عدد كبيرالمدارات الخارجية قريبة بقوة. إلكترونات التكافؤ الخاصة بهم محفوظة بشكل ضعيف في الذرة. الإلكترونات التي تقوم بالاتصال تكون اجتماعية وتتحرك عبر الشبكة البلورية للمعدن المحايد ككل.

المواد ذات السندات معدنيةالمشابك البلورية المعدنية متأصلة ، والتي عادة ما تصور خشب الساج التخطيطي ، كما هو موضح في الشكل ، العقد عبارة عن كاتيونات وذرات معدنية. تجذب الإلكترونات المشتركة الكاتيونات المعدنية الموجودة في عقد الشبكة البلورية الخاصة بها إلكتروستاتيكيًا ، مما يضمن ثباتها وقوتها (تُصوَّر الإلكترونات المشتركة على شكل كرات صغيرة سوداء).
الرابطة المعدنية هي رابطة في المعادن والسبائك بين أيونات ذرة معدنية تقع في عقد الشبكة البلورية ، والتي يتم تنفيذها بواسطة إلكترونات التكافؤ الاجتماعي.

تتبلور بعض المعادن في شكلين بلوريين أو أكثر. تسمى خاصية المواد هذه - الموجودة في العديد من التعديلات البلورية - تعدد الأشكال. يُعرف تعدد الأشكال للمواد البسيطة باسم التآصل.

القصدير له تعديلين بلوريين:
. ألفا - مستقر تحت 13.2 درجة مئوية بكثافة р - 5.74 جم / سم 3. هذا قصدير رمادي. لديها شعرية الكريستالنوع الماس (الذري):
. البيتا - مستقرة فوق 13.2 درجة مئوية بكثافة ص - 6.55 جم / سم 3. هذا قصدير أبيض.

القصدير الأبيض معدن ناعم للغاية. عندما يتم تبريده إلى أقل من 13.2 درجة مئوية ، فإنه يتفتت إلى مسحوق رمادي ، لأنه عند الانتقال | 1 »ن يزداد حجمه النوعي بشكل ملحوظ. هذه الظاهرة تسمى طاعون القصدير. بالطبع ، يجب تحديد وشرح نوع خاص من الرابطة الكيميائية ونوع الشبكة البلورية للمعادن. الخصائص الفيزيائية.

ما هم؟ هذه هي اللمعان المعدني ، اللدونة ، الموصلية الكهربائية العالية والتوصيل الحراري ، زيادة المقاومة الكهربائية مع زيادة درجة الحرارة ، بالإضافة إلى الخصائص المهمة عمليًا مثل الكثافة ، ونقاط الانصهار والغليان ، والصلابة ، والخصائص المغناطيسية.
دعنا نحاول شرح الأسباب التي تحدد الخصائص الفيزيائية الأساسية للمعادن. لماذا المعادن من البلاستيك؟

يتسبب العمل الميكانيكي على بلورة ذات شبكة بلورية معدنية في تحول طبقات ذرات الأيونات بالنسبة لبعضها البعض ، نظرًا لأن الإلكترونات تتحرك في جميع أنحاء البلورة ، لا تنكسر الروابط ، لذلك تتميز المعادن بدرجة أكبر من اللدونة.

تأثير مماثل على صلبمع الروابط التساهمية (شعرية الكريستال الذرية) يؤدي إلى تمزق روابط تساهمية. يؤدي كسر الروابط في الشبكة الأيونية إلى تنافر متبادل بين الأيونات المتشابهة الشحنة (الشكل 40). لذلك ، المواد ذات المشابك البلورية الذرية والأيونية هشة.

معظم المعادن البلاستيكية هي Au و Af و Cu و Sn و Pb و Zn. يتم سحبها بسهولة في الأسلاك ، وهي قابلة للتزوير والضغط والدحرجة إلى صفائح. على سبيل المثال ، يمكن صنع رقائق الذهب بسمك 0.008 نانومتر من الذهب ، ويمكن سحب خيط بطول 1 كم من 0.5 جرام من هذا المعدن.

حتى الزئبق الذي ، كما تعلم ، يكون سائلًا في درجة حرارة الغرفة ، درجات الحرارة المنخفضةأنا الحالة الصلبة تصبح مرنة مثل الرصاص. فقط Bi و Mn ليس لديهما اللدونة ، فهي هشة.

لماذا تمتلك المعادن بريقًا مميزًا وهي أيضًا غير شفافة؟
تعكس الإلكترونات التي تملأ الفضاء بين الذرات أشعة الضوء (ولا تنقل ، مثل الزجاج) ، ومعظم المعادن في بالتساوينثر كل أشعة الجزء المرئي من الطيف. لذلك ، لديهم أبيض فضي أو اللون الرمادي. السترونشيوم والذهب والنحاس أكثرتمتص الموجات القصيرة (قريبة من ليلكي) وتعكس أطوال موجات طويلة من طيف الضوء ، بحيث يكون لها ألوان صفراء وأصفر ونحاسية فاتحة ، على التوالي.

على الرغم من أنه من الناحية العملية ، كما تعلم ، لا يبدو لنا دائمًا أن المعدن جسم خفيف. أولاً ، يمكن أن يتأكسد سطحه ويفقد بريقه. لذلك ، يبدو النحاس الأصلي كحجر مخضر. وثانيا ، و المعدن النقيقد لا يلمع. صفائح رقيقة جدًا من الفضة والذهب لها مظهر غير متوقع تمامًا - لها لون أخضر مزرق. وتبدو مساحيق المعادن الدقيقة رمادية داكنة ، حتى سوداء.

الفضة والألمنيوم والبلاديوم لها أعلى انعكاسية. يتم استخدامها في صناعة المرايا ، بما في ذلك الأضواء الكاشفة.
لماذا المعادن لها موصلية كهربائية عالية والتوصيل الحراري؟

تكتسب الإلكترونات المتحركة في المعدن تحت تأثير الجهد الكهربائي المطبق حركة موجهة ، أي أنها توصل تيارًا كهربائيًا. مع زيادة درجة حرارة الفوقية ، تزداد سعات اهتزاز الذرات والأيونات الموجودة في عقد الشبكة البلورية. هذا يجعل من الصعب على الإلكترونات أن تتحرك ، وتقل الموصلية الكهربائية للمعدن. في درجات الحرارة المنخفضة ، تقل الحركة التذبذبية بشكل كبير وتزداد الموصلية الكهربائية للمعادن بشكل حاد. بالقرب من الصفر المطلق ، لا توجد مقاومة عمليًا في المعادن ، وتظهر الموصلية الفائقة في معظم المعادن.

وتجدر الإشارة إلى أن غير المعادن ذات الموصلية الكهربائية (على سبيل المثال ، الجرافيت) ، في درجات حرارة منخفضة ، على العكس من ذلك ، لا تقوم بتوصيل التيار الكهربائي بسبب نقص الإلكترونات الحرة. وفقط مع زيادة درجة الحرارة وتدمير بعض الروابط التساهمية ، تبدأ الموصلية الكهربائية في الزيادة.

الفضة والنحاس والذهب والألمنيوم هي الأعلى في الموصلية الكهربائية ، والمنغنيز والرصاص والزئبق هي الأقل.

في أغلب الأحيان ، بنفس انتظام الموصلية الكهربائية ، تتغير الموصلية الحرارية للمعادن.

إنها ترجع إلى الحركة العالية للإلكترونات الحرة ، التي تصطدم بالأيونات والذرات المهتزة ، وتتبادل الطاقة معها. لذلك ، هناك معادلة لدرجة الحرارة في جميع أنحاء قطعة المعدن.

تختلف القوة الميكانيكية والكثافة ونقطة انصهار المعادن اختلافًا كبيرًا. علاوة على ذلك ، مع زيادة عدد الإلكترونات التي تربط ذرات الأيونات ، وانخفاض المسافة بين الذرات في البلورات ، تزداد مؤشرات هذه الخصائص.

لذا، الفلزات القلوية، التي تحتوي ذراتها على إلكترون تكافؤ واحد ، تكون ناعمة (مقطوعة بسكين) ، ذات كثافة منخفضة (الليثيوم هو أخف معدن مع p - 0.53 جم / سم 3) ويذوب عندما لا درجات حرارة عالية(على سبيل المثال ، درجة انصهار السيزيوم هي 29 درجة مئوية) المعدن الوحيد الذي يكون سائلًا عند الظروف الطبيعية. - الزئبق - درجة انصهاره 38.9 درجة مئوية.

الكالسيوم ، الذي يحتوي على إلكترونين ليسا خارجيين مستوى الطاقةالذرات ، تكون أكثر صلابة وتذوب عند درجة حرارة أعلى (842 درجة مئوية).

والأكثر تقوسًا هو الشبكة البلورية المكونة من ذرات سكانديوم ، والتي تحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ.

ولكن لوحظت أقوى المشابك البلورية والكثافة العالية ونقاط الانصهار في معادن المجموعات الفرعية الثانوية للمجموعات V و VI و VII و VIII. هذا ما يفسره. أنه بالنسبة لمعادن المجموعات الفرعية التي تحتوي على إلكترونات تكافؤ غير محفوظة في المستوى الفرعي d ، فإن تكوين روابط تساهمية قوية جدًا بين الذرات هو خاصية مميزة ، بالإضافة إلى المجموعة المعدنية ، التي تقوم بها إلكترونات الطبقة الخارجية من المدارات s.

تذكر أن أثقل معدن هو الأوزميوم (مكون من سبائك فائقة الصلابة ومقاومة للاهتراء) ، وأكثر المعادن مقاومة للصهر هو التنجستن (يستخدم في صناعة خيوط المصابيح) ، وأقسى معدن هو الكروم Cr (خدوش الزجاج). إنها جزء من المواد التي تصنع منها أدوات قطع المعادن ، وسادات الفرامل للآلات الثقيلة ، وما إلى ذلك.

المعادن تختلف فيما يتعلق المجالات المغناطيسية. لكن هذه العلامة مقسمة إلى ثلاث مجموعات:
. المغناطيسية الحديدية يمكن أن تكون ممغنطة تحت تأثير حتى المجالات المغناطيسية الضعيفة (الحديد - شكل ألفا ، الكوبالت ، النيكل ، الجادولينيوم) ؛

تُظهر البارامغنطيسية قدرة ضعيفة على المغنطة (الألومنيوم والكروم والتيتانيوم وجميع اللانثانيدات تقريبًا) ؛

لا تنجذب تلك التي نيمغناطيسية إلى المغناطيس ، حتى أنها تنفر قليلاً منه (قصدير ، تقطعت بهم السبل ، بزموت).

تذكر أنه عند النظر في التركيب الإلكتروني للمعادن ، قمنا بتقسيم المعادن إلى معادن المجموعات الفرعية الرئيسية (عناصر k و p) ومعادن المجموعات الفرعية الثانوية.

في الهندسة ، من المعتاد تصنيف المعادن وفقًا لخصائص فيزيائية مختلفة:

أ) الكثافة - الضوء (ص< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);

ب) نقطة الانصهار - قابلة للانصهار والحرارية.

هناك تصنيفات للمعادن حسب الخواص الكيميائية.
تسمى المعادن ذات النشاط الكيميائي المنخفض النبيلة (الفضة والذهب والبلاتين ونظائرها - الأوزميوم والإيريديوم والروثينيوم والبلاديوم والروديوم).
وفقًا لقرب الخواص الكيميائية ، يتم تمييز الفلزات القلوية (معادن المجموعة الأولى المجموعة الفرعية الرئيسية) ، القلوية الأرضية (الكالسيوم ، السترونتيوم ، الباريوم ، الراديوم) ، وكذلك المعادن الأرضية النادرة (سكانديوم ، الإيتريوم ، اللانثانوم واللانثانيدات ، الأكتينيوم والأكتينيدات).

الخصائص الكيميائية العامة للمعادن
تتخلى ذرات المعادن عن إلكترونات التكافؤ بسهولة نسبية وتنتقل إلى غير موجبة الشحنة ، أي أنها تتأكسد. هذا ، كما تعلم ، هو الشيء الرئيسي الملكية المشتركةوالذرات ، والمواد البسيطة - الفلزات.

دائمًا ما تكون المعادن في التفاعلات الكيميائية عامل اختزال. القدرة المختزلة لذرات المواد البسيطة - المعادن ، المكونة من العناصر الكيميائية لفترة واحدة أو مجموعة فرعية رئيسية واحدة من النظام الدوري لـ D.I Mendeleev ، تتغير بشكل طبيعي.

يعكس النشاط المختزل للمعدن في التفاعلات الكيميائية التي تحدث في المحاليل المائية موقعه في السلسلة الكهروكيميائية للجهود المعدنية.

1. كلما ابتعد المعدن عن اليسار في هذا الصف ، كلما كان عامل الاختزال أقوى.
2. كل معدن قادر على إزاحة (استعادة) الأملاح في المحلول لتلك المعادن التي تليها (إلى اليمين) في سلسلة من الفولتية.
3. المعادن الموجودة في سلسلة الفولتية على يسار الهيدروجين قادرة على إزاحته من الأحماض في المحلول.
4. تتفاعل المعادن ، وهي أقوى عوامل الاختزال (الأرض القلوية والقلوية) ، في أي محاليل مائية بشكل أساسي مع الماء.

لا يتوافق النشاط المختزل للمعدن ، المحدد من السلسلة الكهروكيميائية ، دائمًا مع موقعه في الجدول الدوري. هذا ما يفسره. أنه عند تحديد موضع معدن في سلسلة من الفولتية ، لا تؤخذ فقط طاقة فصل الإلكترونات من الذرات الفردية في الاعتبار ، ولكن أيضًا الطاقة التي يتم إنفاقها على تدمير الشبكة البلورية ، وكذلك الطاقة المنبعثة أثناء ترطيب الأيونات.

بعد النظر الأحكام العامةبتوصيف الخصائص المختزلة للمعادن ، دعنا ننتقل إلى تفاعلات كيميائية محددة.

التفاعل مع المواد غير المعدنية البسيطة
1. مع الأكسجين ، تشكل معظم المعادن أكاسيد - قاعدية ومذبذبة.

تتفاعل معادن الليثيوم والقلوية الأرضية مع الأكسجين الجوي لتكوين أكاسيد أساسية.
2. مع الهالوجينات ، تشكل المعادن أملاح الأحماض المائية.

3. مع الهيدروجين ، تشكل المعادن الأكثر نشاطًا الهيدريدات - الأملاح الأيونية ، وهي مادة شائعة يكون للهيدروجين فيها حالة أكسدة -1 ، على سبيل المثال: هيدريد الكالسيوم.

4. تشكل المعادن الأملاح مع كبريتيد - كبريتيد.

5. تتفاعل المعادن مع النيتروجين أكثر صعوبة إلى حد ما ، لأن الرابطة الكيميائية في جزيء النيتروجين Г ^ r قوية جدًا ، وتتشكل النيتريد. في درجات الحرارة العادية ، يتفاعل الليثيوم فقط مع النيتروجين.
التفاعل مع المواد المعقدة
1. مع الماء. تقوم الفلزات القلوية والقلوية الأرضية في ظل الظروف العادية بإزاحة الهيدروجين من الماء وتشكل قواعد قلوية قابلة للذوبان.

المعادن الأخرى ، التي تقف في سلسلة من الفولتية حتى الهيدروجين ، يمكنها أيضًا ، في ظل ظروف معينة ، إزاحة الهيدروجين من الماء. لكن الألمنيوم يتفاعل مع الماء بعنف فقط إذا تمت إزالة طبقة الأكسيد من سطحه.
يتفاعل المغنيسيوم مع الماء فقط عند الغليان ، ويتم إطلاق الهيدروجين أيضًا. إذا تمت إضافة المغنيسيوم المحترق إلى الماء ، فسيستمر الاحتراق مع استمرار التفاعل: يحترق الهيدروجين. يتفاعل الحديد مع الماء فقط عند تسخينه.
2. المعادن الموجودة في سلسلة الفولتية حتى الهيدروجين تتفاعل مع الأحماض في المحلول. ينتج هذا الملح والهيدروجين. لكن الرصاص (وبعض المعادن الأخرى) ، على الرغم من موقعه في سلسلة الجهد (على يسار الهيدروجين) ، يكاد لا يذوب في حمض الكبريتيك المخفف ، لأن كبريتات الرصاص الناتجة PbSO غير قابلة للذوبان ويخلق طبقة واقية على سطح المعدن .

3. مع أملاح معادن أقل نشاطا في المحلول. نتيجة لهذا التفاعل ، يتكون الملح أكثر معدن نشطويتم تحرير المعدن الأقل نشاطًا بشكل حر.

4. ج المواد العضوية. التفاعل مع الأحماض العضوية يشبه التفاعلات مع الأحماض المعدنية. يمكن أن تظهر الكحوليات ضعيفة خصائص الحمضعند التفاعل مع الفلزات القلوية.
تشارك المعادن في تفاعلات مع هالو ألكانات ، والتي تُستخدم للحصول على ألكانات حلقي أقل وللتركيبات ، حيث يصبح الهيكل الكربوني للجزيء أكثر تعقيدًا (تفاعل Wurtz):

5. المعادن التي تكون هيدروكسيداتها مذبذبة تتفاعل مع القلويات في المحلول.
6. يمكن أن تتشكل المعادن مركبات كيميائيةمع بعضها البعض ، والتي حصلت على الاسم العام - المركبات المعدنية. غالبًا لا تظهر حالات أكسدة الذرات ، والتي تتميز بمركبات المعادن غير الفلزية.

عادة لا تحتوي المركبات بين الفلزات على تركيبة ثابتة ، فالرابطة الكيميائية فيها تكون معدنية بشكل أساسي. يعتبر تكوين هذه المركبات أكثر شيوعًا لمعادن المجموعات الفرعية الثانوية.

أكاسيد وهيدروكسيدات المعادن
الأكاسيد التي تتكون من معادن نموذجية تصنف على أنها مكونة للملح ، أساسية في طبيعة الخصائص.

أكاسيد وهيدروكسيدات بعض المعادن مذبذبة ، أي أنها يمكن أن تظهر كل من الخصائص الأساسية والحمضية ، اعتمادًا على المواد التي تتفاعل معها.

فمثلا:

يمكن للعديد من معادن المجموعات الفرعية الثانوية ، والتي لها حالة أكسدة متغيرة في المركبات ، أن تشكل عدة أكاسيد وهيدروكسيدات ، والتي تعتمد طبيعتها على حالة أكسدة المعدن.

على سبيل المثال ، يظهر الكروم في المركبات ثلاث حالات أكسدة: +2 ، +3 ، +6 ، لذلك فهو يشكل ثلاث سلاسل من الأكاسيد والهيدروكسيدات ، ومع زيادة حالة الأكسدة ، تزداد الشخصية الحمضية وتضعف الشخصية الأساسية.

تآكل المعادن
عندما تتفاعل المعادن مع المواد بيئةعلى سطحها ، تتشكل مركبات لها خصائص مختلفة تمامًا عن المعادن نفسها. في الوريد الطبيعي ، غالبًا ما نستخدم الكلمات "الصدأ" ، "الصدأ" ، ونرى طلاءًا بنيًا أحمر على المنتجات المصنوعة من الحديد وسبائكه. الصدأ هو شكل شائع من أشكال التآكل.

تآكل- هذه هي عملية التدمير التلقائي للمعادن والسبائك تحت تأثير البيئة الخارجية (من التآكل اللاتيني).

ومع ذلك ، تتعرض جميع المعادن تقريبًا للتدمير ، مما يؤدي إلى تدهور العديد من خصائصها (أو ضياعها تمامًا): القوة ، والليونة ، وانخفاض اللمعان ، وانخفاض التوصيل الكهربائي ، وزيادة الاحتكاك بين أجزاء الماكينة المتحركة ، وتغير أبعاد الأجزاء ، إلخ.

يمكن أن يكون تآكل المعادن مستمرًا ومحليًا.

أكثر أنواع التآكل شيوعًا هي المواد الكيميائية والكهروكيميائية.

1. يحدث التآكل الكيميائي في بيئة غير موصلة للكهرباء. يتجلى هذا النوع من التآكل في حالة تفاعل المعادن مع الغازات الجافة أو السوائل - غير المنحل بالكهرباء (البنزين ، الكيروسين ، إلخ) .تتعرض أجزاء ومكونات المحركات والتوربينات الغازية وقاذفات الصواريخ لمثل هذا التدمير. غالبًا ما يلاحظ التآكل الكيميائي أثناء معالجة المعادن في درجات حرارة عالية.

تتأكسد معظم المعادن بواسطة الأكسجين الجوي ، وتشكل أغشية أكسيد على السطح. إذا كان هذا الفيلم قويًا وكثيفًا ومرتبطًا جيدًا بالمعدن ، فإنه يحمي المعدن من المزيد من التلف. في الحديد ، يكون فضفاضًا ومساميًا ويمكن فصله بسهولة عن السطح وبالتالي فهو غير قادر على حماية المعدن من المزيد من التلف.

ثانيًا. يحدث التآكل الكهروكيميائي في وسط موصل (إلكتروليت) مع حدوثه داخل النظام التيار الكهربائي. كقاعدة عامة ، المعادن والسبائك غير متجانسة وتحتوي على شوائب مختلفة. عندما تتلامس مع الإلكتروليتات ، تبدأ بعض أجزاء السطح في لعب دور الأنود (التبرع بالإلكترونات) ، بينما تلعب أجزاء أخرى دور الكاثود (قبول الإلكترونات).

في حالة واحدة ، سيتم ملاحظة تطور الغاز (Hg). في الآخر - تشكيل الصدأ.

لذا ، فإن التآكل الكهروكيميائي هو تفاعل يحدث في الوسائط التي تجري تيارًا (على عكس التآكل الكيميائي). تحدث العملية عندما يتلامس معدنان أو على سطح معدن يحتوي على شوائب أقل نشاطًا (قد يكون أيضًا غير معدني).

في الأنود (معدن أكثر نشاطًا) ، تتأكسد ذرات المعدن لتكوين كاتيونات (انحلال).

عند الكاثود (موصل أقل نشاطًا) ، يتم تقليل أيونات الهيدروجين أو جزيئات الأكسجين بتكوين أيونات H2 أو OH- هيدروكسيد ، على التوالي.

تعتبر الكاتيونات الهيدروجينية والأكسجين المذاب من أهم العوامل المؤكسدة التي تسبب التآكل الكهروكيميائي.

كلما زاد معدل التآكل ، زاد اختلاف المعادن (المعادن والشوائب) في نشاطها (بالنسبة للمعادن ، كلما كانت متباعدة في سلسلة من الفولتية). يزداد التآكل بشكل ملحوظ مع زيادة درجة الحرارة.

يمكن أن يكون المنحل بالكهرباء مياه البحرومياه الأنهار والرطوبة المكثفة وبالطبع الشوارد المعروفة - محاليل الأملاح والأحماض والقلويات.

من الواضح أنك تتذكر أنه في فصل الشتاء ، يتم استخدام الملح التقني (كلوريد الصوديوم ، وأحيانًا كلوريد الكالسيوم ، وما إلى ذلك) لإزالة الثلج والجليد من الأرصفة - يتم تصريف المحاليل الناتجة في أنابيب الصرف الصحي ، وبالتالي إنشاء بيئة مواتيةللتآكل الكهروكيميائي للمرافق تحت الأرض.

طرق الحماية من التآكل
بالفعل في تصميم الهياكل المعدنية ، يوفر تصنيعها تدابير للحماية من التآكل.

1. صنفرة أسطح المنتج حتى لا تبقى الرطوبة عليها.

2. استخدام السبائك المحتوية على إضافات خاصة: الكروم والنيكل والتي تشكل عند درجات الحرارة العالية طبقة أكسيد ثابتة على سطح المعدن. الفولاذ السبائكي معروف جيدًا - الفولاذ المقاوم للصدأ ، والذي يتم من خلاله صنع الأدوات المنزلية (الشوك المغلفة ، والملاعق) ، وأجزاء الآلات ، والأدوات.

3. تطبيق الطلاءات الواقية. ضع في اعتبارك أنواعها.

غير معدنية - زيوت غير مؤكسدة ، ورنيش خاص ، دهانات. صحيح أنها لم تدم طويلاً لكنها رخيصة الثمن.

مواد كيميائية - أغشية سطحية مصطنعة: أكسيد ، سيتريك ، سيليسيد ، بوليمر ، إلخ. على سبيل المثال ، جميع الأسلحة الصغيرة يتم تلميع تفاصيل العديد من الأدوات الدقيقة - هذه هي عملية الحصول على أنحف فيلم من أكاسيد الحديد على سطح الفولاذ منتج. فيلم الأكسيد الاصطناعي الناتج متين للغاية ويعطي المنتج لونًا أسود جميلًا ولونًا أزرق. تصنع طلاءات البوليمر من البولي إيثيلين والبولي فينيل كلورايد وراتنجات البولي أميد. يتم تطبيقها بطريقتين: يتم وضع منتج ساخن في مسحوق بوليمر ، يذوب ويلحم بالمعدن ، أو تتم معالجة السطح المعدني بمحلول بوليمر في مذيب منخفض الحرارة ، والذي يتبخر بسرعة ، وفيلم البوليمر يبقى على المنتج.

الطلاءات المعدنية هي طلاءات مع معادن أخرى ، على سطحها يتم تشكيل أغشية واقية مستقرة تحت تأثير العوامل المؤكسدة.

تطبيق الكروم على السطح - طلاء الكروم والنيكل والنيكل والزنك - طلاء الزنك والصفيح - القصدير ، إلخ. يمكن أن يعمل الطلاء أيضًا كمعدن سلبي كيميائيًا - الذهب والفضة والنحاس.

4. الطرق الكهروكيميائيةالحماية.

واقية (أنوديك) - يتم توصيل قطعة من المعدن الأكثر نشاطًا (واقي) بالهيكل المعدني المحمي ، والذي يعمل بمثابة أنود ويتم تدميره في وجود إلكتروليت. يستخدم المغنيسيوم والألمنيوم والزنك كحامي عند حماية هياكل السفن وخطوط الأنابيب والكابلات وغيرها من المنتجات الأنيقة ؛

الكاثود - هيكل معدني متصل بالكاثود مصدر خارجيالحالي ، مما يلغي إمكانية تدمير الأنود

5. معاملة خاصة للإلكتروليت أو البيئة التي يقع فيها الهيكل المعدني المحمي.

ومعلوم أن دمشق حرفيون في إزالة الترسبات الكلسية و
الصدأ المستخدم في محاليل حامض الكبريتيك مع إضافة خميرة البيرة والدقيق والنشا. هذه جلبت وكانت من بين أول مثبطات. لم يسمحوا للحمض بالتأثير على معدن السلاح ، ونتيجة لذلك ، تم إذابة الحجم والصدأ فقط. استخدم صانعو الأسلحة في الأورال حساء التخليل لهذا الغرض - محاليل حمض الكبريتيك مع إضافة نخالة الدقيق.

أمثلة على استخدام المثبطات الحديثة: أثناء النقل والتخزين ، يتم "ترويض" حمض الهيدروكلوريك تمامًا بواسطة مشتقات بيوتيل أمين. أ حامض الكبريتيك- حمض النيتريك؛ يتم حقن ثنائي إيثيل أمين متطاير فيه قدرات مختلفة. لاحظ أن المثبطات تعمل فقط على المعدن ، مما يجعلها سلبية فيما يتعلق بالوسيط ، على سبيل المثال ، لمحلول حمضي. أكثر من 5 آلاف من مثبطات التآكل معروفة للعلم.

إزالة الأكسجين المذاب في الماء (نزع الهواء). تستخدم هذه العملية في تحضير الماء الداخل إلى محطات الغلايات.

طرق الحصول على المعادن
يؤدي النشاط الكيميائي للمعادن (التفاعل مع الأكسجين الجوي ، وغير الفلزات الأخرى ، والماء ، والمحاليل الملحية ، والأحماض) إلى حقيقة أنها توجد في قشرة الأرض بشكل أساسي في شكل مركبات: أكاسيد ، كبريتيدات ، كبريتات ، كلوريدات ، كربونات ، إلخ.
في الشكل الحر ، توجد معادن موجودة في سلسلة الفولتية على يمين الهيدروجين ، على الرغم من أنه في كثير من الأحيان يمكن العثور على النحاس والزئبق في الطبيعة في شكل مركبات.

المعادن و الصخور، التي تحتوي على معادن ومركباتها ، والتي يكون استخراج المعادن النقية منها ممكنًا تقنيًا ومجديًا اقتصاديًا ، تسمى الخامات.

الحصول على المعادن من الخامات هي مهمة علم المعادن.
علم المعادن هو أيضا علم الطرق الصناعيةالحصول على المعادن من الخامات. وقطاع الصناعة.
أي عملية تعدين هي عملية تقليل أيونات المعادن بمساعدة عوامل الاختزال المختلفة.

لتنفيذ هذه العملية ، من الضروري مراعاة نشاط المعدن ، واختيار عامل الاختزال ، والنظر في الجدوى التكنولوجية ، والعوامل الاقتصادية والبيئية. وفقا لهذا ، هناك الطرق التاليةالحصول على المعادن: المعادن الحرارية. ميتالورجية مائية ، كهربي ميتالورجية.

ميتالورجيا- استخلاص المعادن من الخامات عند درجات حرارة عالية باستخدام الكربون وأول أكسيد الكربون (II). الهيدروجين والمعادن - الألومنيوم والمغنيسيوم.

على سبيل المثال ، يتم تقليل القصدير من حجر القصدير والنحاس من الكوبريت بالتكلس بالفحم (فحم الكوك). يتم تحميص خامات الكبريتيد مبدئيًا باستخدام الهواء ، ثم يتم تقليل الأكسيد الناتج بالفحم. يتم عزل المعادن أيضًا من خامات الكربونات بضخها بالفحم ، حيث تتحلل الكربونات عند تسخينها ، وتتحول إلى أكاسيد ، ويتم تقليل الأخير بالفحم.
المعالجة المائيةهو اختزال المعادن لهم بأملاحهم في المحلول. تتم العملية على مرحلتين: 1) يتم إذابة مركب طبيعي في كاشف مناسب للحصول على محلول ملح من هذا المعدن. 2) من المحلول الناتج ، يتم إزاحة هذا المعدن بمحلول أكثر نشاطًا أو يتم استعادته بواسطة التحليل الكهربائي. على سبيل المثال ، للحصول على النحاس من الخامات المحتوية على أكسيد النحاس ، CuO ، يتم معالجته بحمض الكبريتيك المخفف.

يتم استخراج النحاس من محلول الملح إما عن طريق التحليل الكهربائي أو إزاحته من الكبريتات بالحديد. يتم الحصول على الفضة والزنك والموليبدينوم والذهب واليورانيوم بهذه الطريقة.

علم المعادن- استرجاع المعادن في عملية التحليل الكهربائي للمحاليل أو إذابة مركباتها.

التحليل الكهربائي
إذا تم خفض الأقطاب الكهربائية في محلول الإلكتروليت أو انصهرت وتم تمرير تيار كهربائي مباشر ، فإن الأيونات ستتحرك في اتجاه: الكاتيونات - إلى القطب السالب (القطب السالب الشحنة) ، الأنيونات - إلى القطب الموجب (القطب الموجب الشحنة) .

في القطب السالب ، تقبل الكاتيونات الإلكترونات وتنخفض عند الأنود ، وتتبرع الأنيونات بالإلكترونات وتتأكسد. هذه العملية تسمى التحليل الكهربائي.
التحليل الكهربائي هو عملية الأكسدة والاختزال التي تحدث على الأقطاب الكهربائية عندما يمر تيار كهربائي عبر محلول أو محلول إلكتروليت.

أبسط مثال على هذه العمليات هو التحليل الكهربائي للأملاح المنصهرة. ضع في اعتبارك عملية التحليل الكهربائي لمصهر كلوريد الصوديوم. تتم عملية التفكك الحراري في المصهور. تحت تأثير التيار الكهربائي ، تتحرك الكاتيونات نحو الكاثود وتستقبل الإلكترونات منه.
يتكون معدن الصوديوم عند الكاثود ، ويتكون غاز الكلور عند القطب الموجب.

الشيء الرئيسي الذي يجب تذكره هو أنه في عملية التحليل الكهربائي ، يتم إجراء تفاعل كيميائي بسبب الطاقة الكهربائية ، والتي لا يمكن أن تستمر تلقائيًا.

يكون الوضع أكثر تعقيدًا في حالة التحليل الكهربائي لمحاليل الإلكتروليت.

في محلول الملح ، بالإضافة إلى أيونات المعادن والبقايا الحمضية ، توجد جزيئات الماء. لذلك ، عند النظر في العمليات على الأقطاب الكهربائية ، من الضروري مراعاة مشاركتها في التحليل الكهربائي.

توجد القواعد التالية لتحديد منتجات التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للكهارل.

1. لا تعتمد العملية على الكاثود على مادة الكاثود التي صنع عليها ، ولكن على موضع المعدن (الكاتيون بالكهرباء) في السلسلة الكهروكيميائية للجهد ، وإذا:
1.1 يقع الكاتيون بالكهرباء في سلسلة الفولتية في بداية السلسلة (جنبًا إلى جنب مع Al شامل) ، ثم تجري عملية تقليل الماء عند الكاثود (يتم إطلاق الهيدروجين). لا يتم تقليل الكاتيونات المعدنية ، فهي تظل في المحلول.
1.2 يقع الكاتيون بالكهرباء في سلسلة من الفولتية بين الألومنيوم والهيدروجين ، ثم يتم تقليل كل من النونات المعدنية وجزيئات الماء عند الكاثود.

1.3 يقع الكاتيون بالكهرباء في سلسلة من الفولتية بعد الهيدروجين ، ثم يتم تقليل الكاتيونات المعدنية عند الكاثود.
1.4 يحتوي المحلول على كاتيونات من معادن مختلفة ، ثم يتم استعادة الكاتيون المعدني الذي تم تنزيله ، ويقف في سلسلة من الفولتية
هذه القواعد موضحة في الشكل 10.

2. تعتمد العملية عند الأنود على مادة الأنود وعلى طبيعة القطب الموجب (مخطط 11).
2.1. إذا تم إذابة الأنود (الحديد والزنك والنحاس والفضة وجميع المعادن التي تتأكسد أثناء التحليل الكهربائي) ، يتأكسد معدن الأنود ، بغض النظر عن طبيعة الأنيون. 2. إذا لم يذوب الأنود (يطلق عليه اسم خامل - جرافيت ، ذهب ، بلاتين) ، عندئذٍ:
أ) أثناء التحليل الكهربائي لمحاليل أملاح أحماض الأكسدة (فلوريد البروم) ، يتأكسد الأنيون عند الأنود ؛
ب) أثناء التحليل الكهربائي لمحاليل أملاح حمض الفلوريدات المحتوية على الأكسجين في القطب الموجب ، تحدث عملية أكسدة الماء. لا تتأكسد الأنيونات ، فهي تبقى في المحلول ؛

يستخدم التحليل الكهربائي للذوبان ومحاليل المواد على نطاق واسع في الصناعة:
1. للحصول على المعادن (الألومنيوم والمغنيسيوم والصوديوم والكادميوم يتم الحصول عليها فقط عن طريق التحليل الكهربائي).
2. للحصول على الهيدروجين والهالوجينات والقلويات.
3. لتنقية المعادن - التنقية (تنقية النحاس والنيكل والرصاص يتم بالطريقة الكهروكيميائية).
4. لحماية المعادن من التآكل - وضع طلاءات واقية على شكل طبقة رقيقة من معدن آخر مقاومة للتآكل (الكروم والنيكل والنحاس والفضة والذهب) - الطلاء الكهربائي.

5. الحصول على نسخ معدنية وسجلات - طلاء كهربائي.
1. كيف ترتبط بنية المعادن بموقعها في المجموعات الفرعية الرئيسية والثانوية للجدول الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev؟
2. لماذا تحتوي الفلزات الأرضية القلوية والقلوية على حالة أكسدة واحدة في المركبات: (+1) و (+2) ، على التوالي ، ومعادن المجموعات الفرعية الثانوية ، كقاعدة عامة ، تظهر في المركبات درجات مختلفةأكسدة؟ 8. ما هي حالات الأكسدة التي يمكن أن يظهرها المنغنيز؟ ما الأكاسيد والهيدروكسيدات التي تتوافق مع المنغنيز في حالات الأكسدة هذه؟ ما هي شخصيتهم؟
4. قارن التركيب الإلكتروني لذرات عناصر المجموعة السابعة: المنغنيز والكلور. اشرح الفرق في ملفات الخواص الكيميائيةووجود درجات مختلفة من أكسدة الذرات في كلا العنصرين.
5. لماذا لا يتوافق موضع المعادن في سلسلة الفولتية الكهروكيميائية دائمًا مع موقعها في النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev؟
9. اكتب معادلات تفاعلات الصوديوم والمغنيسيوم مع حمض الاسيتيك. في هذه الحالة ولماذا يكون معدل التفاعل أسرع؟
11. ما هي طرق الحصول على المعادن التي تعرفها؟ ما هو جوهر كل الأساليب؟
14. ما هو التآكل؟ ما أنواع التآكل التي تعرفها؟ أيهما عملية فيزيائية وكيميائية؟
15. هل يمكن اعتبار العمليات التالية تآكلًا: أ) أكسدة الحديد أثناء اللحام الكهربائي ، ب) تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك في الحصول على حمض محفور للحام؟ أعط إجابة منطقية.
17. يوجد منتج المنغنيز في الماء ولا يتلامس مع المنتج النحاسي. هل سيبقى كلاهما دون تغيير؟
18. هل ستتم حماية الهيكل الحديدي من التآكل الكهروكيميائي في الماء إذا تم تعزيز صفيحة من معدن آخر: أ) المغنيسيوم ، ب) الرصاص ، ج) النيكل؟

19. لأي غرض تم طلاء سطح خزانات تخزين المنتجات البترولية (بنزين ، كيروسين) بالفضة - خليط من مسحوق الألمنيوم مع أحد الزيوت النباتية؟

تتكون من ذرات عنصر كيميائي واحد. في الجدول الدوري ، تزداد الخصائص المعدنية للعناصر من اليمين إلى اليسار. جميع المعادن النقية (كعناصر) هي مواد بسيطة.

السيليكون البلوري - أشباه الموصلات

التأثير الكهروضوئي

يميز بين الفيزيائية والكيميائية خصائص المعادن. في الحالة العامة، خصائص المعادن متنوعة تمامًا. تميز المعادن قلوي, القلوية الترابية, أسود, ملون, اللانثانيدات(أو الأرض النادرة - قريبة من الخواص الكيميائية للأرض القلوية) ، الأكتينيدات(معظمهم من العناصر المشعة) ، النبيلو البلاتينالمعادن. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر المعادن الفردية خصائص معدنية وغير معدنية. هذه المعادن مذبذبة (أو ، كما يقولون ، انتقالية).

تمتلك جميع المعادن تقريبًا بعض الخصائص المشتركة: اللمعان المعدني ، وهيكل الشبكة البلورية ، والقدرة على إظهار خصائص عامل الاختزال في التفاعلات الكيميائية ، أثناء التأكسد. في التفاعلات الكيميائية ، تشكل أيونات المعادن الذائبة ، عند التفاعل مع الأحماض ، أملاحًا ؛ وعند التفاعل مع الماء (اعتمادًا على نشاط المعدن) ، فإنها تشكل قلويًا أو قاعدة.

لماذا تألق المعادن؟

تحتوي عُقد الشبكة البلورية للمعادن على ذرات. تشكل الإلكترونات التي تتحرك حول الذرات "غاز إلكترون" يمكنه التحرك بحرية في اتجاهات مختلفة. تشرح هذه الخاصية الموصلية الكهربائية والحرارية العالية للمعادن.

يعكس غاز الإلكترون جميع أشعة الضوء تقريبًا. هذا هو السبب في تألق المعادن بقوة وغالبًا ما يكون لونها رمادي أو لون أبيض. الروابط بين الطبقات المعدنية الفردية صغيرة ، مما يجعل من الممكن تحريك هذه الطبقات تحت الحمل في اتجاهات مختلفة (بمعنى آخر ، تشويه المعدن). الذهب الخالص معدن فريد من نوعه. من خلال تزوير الذهب الخالص ، يمكنك عمل رقائق بسمك 0.002 مم! هذه الصفيحة الرقيقة من المعدن شفافة ولها صبغة خضراء إذا نظرت من خلالها إلى ضوء الشمس.

الخاصية الكهروفيزيائية للمعادنمعبرا عنها من حيث الموصلية الكهربائية. من المقبول عمومًا أن جميع المعادن لها ارتفاع التوصيل الكهربائي، وهذا هو ، إجراء التيار بشكل جيد! لكن هذا ليس كذلك ، وإلى جانب ذلك ، كل هذا يتوقف على درجة الحرارة التي يقاس بها التيار. تخيل شبكة بلورية لمعدن ، ينتقل فيها التيار بواسطة حركة الإلكترونات. تنتقل الإلكترونات من عقدة في الشبكة البلورية إلى أخرى. يقوم إلكترون واحد "بدفع" إلكترون آخر خارج موقع الشبكة ، والذي يستمر في التحرك نحو موقع شبكي آخر ، وهكذا. أي أن الموصلية الكهربائية تعتمد أيضًا على مدى سهولة تحرك الإلكترونات بين مواقع الشبكة. يمكننا القول أن التوصيل الكهربائي للمعدن يعتمد على هيكل بلوريشعرية وكثافة ترتيب الجزيئات فيها. للجسيمات الموجودة في مواقع الشبكة تذبذبات ، وكلما كانت هذه التذبذبات أكبر ، كلما ارتفعت درجة حرارة المعدن. تعيق هذه الاهتزازات بشكل كبير حركة الإلكترونات في الشبكة البلورية. وبالتالي ، كلما انخفضت درجة حرارة المعدن ، زادت قدرته على توصيل التيار!

من هذا يأتي المفهوم الموصلية الفائقةالذي يحدث في المعدن عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق! عند درجة الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) ، تخمد اهتزازات الجسيمات في الشبكة البلورية للمعدن تمامًا!

الخاصية الكهروفيزيائية للمعادنالمرتبطة بمرور التيار يسمى معامل درجة الحرارةالمقاومة الكهربائية!

الخاصية الكهروفيزيائية للمعادن

المثبتة حقيقة مثيرة للاهتمامأنه ، على سبيل المثال ، في الرصاص (Pb) والزئبق (Hg) عند درجة حرارة لا تزيد عن بضع درجات فوق الصفر المطلق ، تختفي المقاومة الكهربائية بالكامل تقريبًا ، أي حالة الموصلية الفائقة تبدأ.

الفضة (Ag) لديها أعلى موصلية كهربائية ، يليها النحاس (Cu) ، يليها الذهب (Au) والألمنيوم (Al). ترتبط الموصلية الكهربائية العالية لهذه المعادن باستخدامها في الهندسة الكهربائية. في بعض الأحيان ، يتم استخدام الذهب (جهات الاتصال المطلية بالذهب) لضمان المقاومة الكيميائية وخصائص مقاومة التآكل.

وتجدر الإشارة إلى أن الموصلية الكهربائية للمعادن أعلى بكثير من الموصلية الكهربائية لغير المعادن. على سبيل المثال ، للكربون (C - الجرافيت) أو السيليكون (Si) الموصلية الكهربائية 1000 مرة أقل من ، على سبيل المثال ، الزئبق. بالإضافة إلى ذلك ، فإن اللافلزات ، في معظمها ، ليست موصلات للكهرباء. ولكن من بين غير المعادن توجد أشباه موصلات: الجرمانيوم (Ge) ، والسيليكون البلوري ، وكذلك بعض الأكاسيد ، والفوسفات (المركبات الكيميائية للمعادن مع الفوسفور) والكبريتيدات (المركبات الكيميائية للمعادن والكبريت).

ربما تكون معتادًا على هذه الظاهرة - فهذه خاصية المعادن لإطلاق الإلكترونات تحت تأثير درجة الحرارة أو الضوء.

أما بالنسبة للتوصيل الحراري للمعادن ، فيمكن تقديره من الجدول الدوري - يتم توزيعه بنفس الطريقة تمامًا مثل الكهربية للمعادن. (المعادن في أعلى اليسار لديها أعلى كهرسلبية ، على سبيل المثال ، الكهربية لصوديوم الصوديوم هي -2.76 فولت). في المقابل ، يتم تفسير التوصيل الحراري للمعادن من خلال وجود إلكترونات حرة تحمل الطاقة الحرارية.

المعادن

المعادن من بين المواد الطبيعية الرئيسية التي يستخدمها الإنسان.

علم المعادن -إحدى الصناعات الأساسية التي تحدد الإمكانات الاقتصادية والعسكرية للبلاد. يتم إنشاء سبائك جديدة ذات الخصائص المرغوبة ، وتستخدم معادن مختلفة كإضافات.

حوالي 80 ٪ من جميع العناصر الكيميائية المعروفة في PSE عبارة عن معادن. المعادن الأكثر شيوعا هي: Al - 8.8٪؛ الحديد - 4.0٪ ؛ كالسيوم - 3.6٪ ؛ Na - 2.64٪ ؛ ك - 2.6٪ ؛ ملغ - 2.1٪ ؛ Ti - 0.64٪.

تتميز المعادن بخصائصها المحددة التي تميزها عن أشباه الفلزات: الليونة ، والتوصيل الحراري والكهربائي العالي ، والصلابة لمعظم المعادن ، ونقاط الانصهار والغليان العالية ، والبريق المعدني.

الليونةتسمى قدرة المعادن تحت التأثير قوى خارجيةالخضوع للتشوه الذي يبقى حتى بعد إنهاء هذا الإجراء. بسبب اللدونة ، تخضع المعادن للتزوير والدرفلة والختم. المعادن لها ليونة مختلفة.

لمعان معدني.يعكس السطح الأملس للمعادن أشعة الضوء. وكلما قل امتصاصه لهذه الأشعة ، زاد لمعانه المعدني. حسب تألقها ، يمكن ترتيب المعادن في الصف التالي: Ag ، Pd ، Cu ، Au ، Al ، Fe.

يعتمد إنتاج المرايا على خاصية المعادن هذه.

تتميز المعادن أيضًا بارتفاعها الموصلية الحرارية والكهربائية. من حيث التوصيل الكهربائي ، يحتل Ag ، Cu ، Al المرتبة الأولى.

مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض الموصلية الكهربائية.، نظرًا لتعزز الحركة التذبذبية للأيونات في عقد الشبكة البلورية ، مما يمنع الحركة الموجهة للإلكترونات.

مع انخفاض درجة الحرارة ، تزداد الموصلية الكهربائيةوفي المنطقة القريبة من الصفر المطلق ، تظهر العديد من المعادن موصلية فائقة.

يفسر سبب التشابه بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمعادن من خلال القواسم المشتركة بين بنية ذراتها وطبيعة المشابك البلورية للمعادن.

ذرات المعدن أكبر من اللافلزات. تتم إزالة الإلكترونات الخارجية لذرات المعدن بشكل كبير من النواة وتكون مرتبطة بها بشكل ضعيف ، وبالتالي ، فإن المعادن لها إمكانات تأين منخفضة (فهي عوامل اختزال).

يتم تفسير الخصائص المحددة للمعادن - اللدونة والتوصيل الحراري والكهربائي والتألق من خلال حقيقة أن المعادن لها إلكترونات "حرة" يمكنها التحرك في جميع أنحاء البلورة.

تتميز المعادن برابطة معدنية (يتم شرحها على أساس طريقة MO).

الخصائص الفيزيائية للمعادن.

جميع المعادن ، باستثناء الزئبق ، هي مواد صلبة في درجات الحرارة العادية ذات بريق معدني مميز.

يتراوح لون معظم المعادن من الرمادي الداكن إلى الأبيض الفضي. الذهب والسيزيوم لها الأصفر، نحاس نقي تمامًا - وردي فاتح ، بعض المعادن لها صبغة حمراء (البزموت).

يمكن أن تختلف كثافة المعادن على نطاق واسع ؛ على سبيل المثال ، كثافة Li = 0.53g / cm3 (الأخف وزناً) و Os هو أثقل معدن عند 22.48 جم / سم 3.

ضمن مجموعة فرعية واحدة من نظائرها ، تزداد قيم الكثافة ، كقاعدة عامة ، مع زيادة شحنة النواة الذرية.

في الهندسة ، تصنف المعادن حسب الكثافة: خفيفة وثقيلة وقابلة للانصهار ومقاومة للصهر.

البحث في الطبيعة.

في الطبيعة ، توجد المعادن في كل من الحالة الأصلية والشكل وصلات مختلفة. في الحالة الأصلية ، لا يوجد سوى معادن غير نشطة كيميائيًا - Pt ، Ag ، Au. توجد المعادن التفاعلية فقط في شكل مركبات مختلفة - الخامات

الخامات هي:أكسيد وكبريتيد وأملاح.

الخام مُخصب مسبقًا ، أي مفصول عن النفايات الصخرية. الطريقة الأكثر شيوعًا هي التعويم، يعتمد على قابلية التبلل المختلفة لسطح المعادن بالمياه.

يتم تحديد طرق استخراج المعادن من الخامات من خلال التركيب الكيميائي. يتم تقليل جميع طرق الحصول على المعادن إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال.

كاربوثيرمي.في طريقة الحصول على المعادن هذه ، يعمل الكربون كعامل اختزال - الأرخص والأكثر سهولة. يستخدم الكربون في شكل فحم الكوك ، ويمكن بسهولة إزالة الكربون المؤكسد في شكل ثاني أكسيد الكربون.

يستخدم الكربون لتقليل المعادن غير النشطة نسبيًا: الحديد ، والنحاس ، والزنك ، والرصاص.

عندما يتم تقليل الخليط بالكربون خام الحديدمع أكاسيد Cr أو Mo أو W أو Mn ، يتم الحصول على سبائك تحتوي على ما يقرب من 70 ٪ من هذه المعادن وكمية صغيرة جدًا من الكربون في الصناعة. وهي سبائك حديدية تستخدم في إنتاج سبائك فولاذية خاصة. الأكاسيد فقط مناسبة لتقليل الكربون.

تخضع خامات الكبريتيد (الزنك والرصاص والنحاس) أولاً للتكليس التأكسدي:

2ZnS + 2O2 → 2ZnO + SO2

لي ، كا ، با وكذلك المعادن الثالثلا يمكن الحصول على المجموعات بالاختزال بالكربون ، لأنها تشكل الكربيدات فور عزلها في الحالة الحرة مع زيادة الكربون.

ميتالثرمي.يعتمد على عمليات إزاحة معدن واحد (أقل نشاطًا) بآخر (أكثر نشاطًا) من الأكاسيد المقابلة والكلوريدات والكبريتيدات.

نظرًا لارتفاع درجة تقاربها مع الأكسجين ، يعد الألمنيوم عامل اختزال جيد جدًا لأكاسيد المعادن. هذه العملية تسمى الألمنيوم.

Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe

يتم أيضًا الحصول على المعادن الأخرى (Mn ، Cr ، Ti) بواسطة aluminothermy ، والتي لا يمكن الحصول عليها في شكل نقياختزال أكاسيدها بالفحم نتيجة لتكوين الكربيدات. في تفاعل الألمنيوم ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة بشكل كبير وقت قصيرمما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة.

الاختزال الالكتروليتي أو الكاثودي للمعادن.بالنسبة للمعادن التي يصعب استعادتها ، يعتبر الفحم كعامل اختزال غير مناسب ، وفي هذه الحالة ، يتم استخدام الاختزال الكاثودي ، أي الفصل عن طريق التحليل الكهربائي. يمكن أن تتأكسد هذه المعادن بالماء ، لذلك تخضع مركباتها للتحليل الكهربائي ليس في المحاليل المائية ، ولكن في الذوبان أو محاليل المذيبات الأخرى.

على سبيل المثال ، يتم الحصول على Na ، K ، Ba ، Ca ، Mg ، Be المعدني عن طريق التحليل الكهربائي للذوبان من الكلوريدات المقابلة.

الحصول على معادن عالية النقاء.

فيما يتعلق بالتطور السريع للتكنولوجيا ، كانت هناك حاجة إلى معادن عالية النقاء. على سبيل المثال ، من أجل التشغيل الموثوق لمفاعل نووي ، من الضروري احتواء الشوائب مثل البورون والكادميوم وما إلى ذلك في المواد الانشطارية بكمية لا تتجاوز المليون في المائة. يصبح الزركونيوم النقي - أحد أفضل المواد الإنشائية للمفاعلات النووية - غير مناسب تمامًا لهذا الغرض إذا كان يحتوي حتى على خليط ضئيل من الهافنيوم.

التقطير في الفراغ.تعتمد هذه الطريقة على التقلبات المختلفة للمعدن المراد تنقيته والشوائب الموجودة فيه. يتم تحميل المعدن الأصلي في وعاء خاص متصل بمضخة تفريغ ويتم إنشاء فراغ في الوعاء ، بعد ذلك الجزء السفلييتم تسخين الوعاء. في الأجزاء الباردة من الوعاء ، يتم ترسيب الشوائب أو المعدن النقي ، أيهما أكثر تطايرًا.

التحلل الحراري.

1. عملية الكربونيل.تستخدم هذه العملية بشكل أساسي لإنتاج النيكل النقي والحديد النقي. يتم تسخين المعدن المحتوي على الشوائب في وجود ثاني أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون) ويتم تقطير الكربونيل المتطاير الناتج من الشوائب غير المتطايرة. ثم تتحلل الكربونيل عند درجات حرارة أعلى لتشكيل معادن عالية النقاء.

2. عملية اليوديجعل من الممكن الحصول على المعادن مثل الزركونيوم والتيتانيوم.

3. تنظيف المعادن(عادةً ما يحتوي على أكسيد على شكل شوائب) في الفراغ عن طريق تسخينه إلى درجة حرارة عالية جدًا باستخدام قوس كهربائي.

ذوبان المنطقة.تتمثل هذه الطريقة في رسم قضيب من ألمانيا غير المكررة من خلال فرن ضيق ؛ المنطقة المنصهرة الناتجة ، حيث يتحرك الشريط خلالها ، يتحرك على طوله ويحمل الشوائب.

من خلال تكرار هذه العملية عدة مرات ، يمكن تحقيق درجة عالية من النقاء.

الخواص الكيميائية للمعادن.

تفتقر المعادن إلى القدرة على قبول الإلكترونات ، وبالتالي تعمل المعادن على تقليل العوامل. مقياس النشاط الكيميائي للمعادن هو طاقة التأين ج.

يمكن أن تكون مؤكسدات المعادن: المواد الأولية، الأحماض ، أملاح المعادن الأقل نشاطًا ، إلخ.

1. التفاعل مع المواد الأولية.

2. التفاعل مع الأحماض:

أ) عامل مؤكسد - H + أيون (HCl ، H2SO4 (فرق) ، إلخ) ؛

ب) أنيون الحمض المؤكسد (تشمل هذه الأحماض HNO3 و H2SO4 (conc.) ؛

ج) التفاعل مع الماء.

د) التفاعل مع القلويات.

هـ) التفاعل مع المحاليل الملحية.

أكاسيد معدنية

جميع ذرات الأكسجين مرتبطة مباشرة بذرات معدنية وليست مرتبطة ببعضها البعض: Me * O2.

تصنيف أكاسيد المعادن

رئيسي -أكاسيد المعادن الأكثر نشاطًا (s - عناصر المجموعتين الأولى والثانية) - الرابطة الأيونية: Na2O ، K2O ، CaO ، MgO ، إلخ.

خصائصها: أ) تتفاعل مع الأحماض. ب) مع أكاسيد الحمض. ج) بالماء.

أكاسيد الأمفوتريك(معادن أقل نشاطًا وعناصر د): Al2O3 ، ZnO ، Cr2O3 ، إلخ.

خصائصها: أ) التفاعل مع الأحماض. ب) التفاعل مع القلويات.

حمض -أكسيد المعادن منخفضة النشاط في حالات الأكسدة العالية (CrO3 ، Mn2O7 ، إلخ). خصائصها: أ) التفاعل مع الماء ، وتشكيل الأحماض. ب) تتفاعل مع القواعد (القلويات).

طبيعة التغير في خواص الأكاسيد

خلال فترة واحدة ، هناك ضعف الخصائص الأساسيةمن خلال التضخيم المتذبذب والحمض من اليسار إلى اليمين.

في المجموعة ، يكون لنفس العنصر نفس التغيير في الخصائص.

الحصول على أكاسيد.

1. الأكسدة المباشرة للمعادن - الاحتراق.

Ca + O = CaO

4Na + O2 = 2Na2O

2. أكسدة الكبريتيدات.

ZnS + O2 = ZnO + SO2

3. الأكسدة بواسطة أكاسيد العناصر الأخرى ، إذا كانت حرارة تكوين الأكسيد الناتج أكبر من حرارة التكوين الأصلي (metallothermy).

Al + Cr2O3 = Cr + Al2O3 + Q

4. الجفاف من الهيدروكسيدات المقابلة.

Al (OH) 3 Al2O3 + H2O

5. التحلل الحراري للكربونات والنترات والكبريتات والأملاح الأخرى.

CaCO3 CaO + CO2

هيدروكسيدات المعادن.

التصنيف: قاعدي ، مذبذب ، حمضي (يقابل الأكاسيد).

تشبه طبيعة التغيير في الخصائص في الطبيعة الأكاسيد.

الصفحة 2

يتميز الحديد والنحاس والألمنيوم بلمعان معدني مميز.

عند دراسة المواد الصلبة التي ليس لها لمعان معدني مميز ، نلاحظ أن الموصلية الكهربائية لها منخفضة للغاية. وتشمل هذه المواد التي نسميها أيوني - كلوريد الصوديوم ، وكلوريد الكالسيوم ، ونترات الفضة وكلوريد الفضة ، وكذلك البلورات الجزيئية ، مثل الثلج. الجليد الموضح في الشكل. 5 - 3 ، تتكون من نفس الجزيئات الموجودة في الطور الغازي ، لكنها مرتبة في شبكة بلورية. تختلف الموصلات الضعيفة للتيار الكهربائي اختلافًا كبيرًا عن المعادن في جميع الخصائص تقريبًا. وبالتالي ، يمكن استخدام الموصلية الكهربائية لتصنيف المواد ، وهي واحدة من أكثر المواد منطقية.

تسمى المعادن البسيطة المواد البلوريةذات بريق معدني مميز ، وموصلات جيدة للحرارة والتيار الكهربائي ، قادرة على تغيير شكلها تحت تأثير القوى الخارجية والاحتفاظ بها بعد إزالة الحمل دون أي علامات تدمير. من إجمالي عدد العناصر الكيميائية المعروفة حاليًا ، هناك ثمانون عنصرًا عبارة عن معادن. المعادن الأكثر شيوعًا في قشرة الأرض في شكل مركبات كيميائية هي الألومنيوم والحديد والمغنيسيوم والبوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم. المعادن النقية محدودة الاستخدام في التكنولوجيا ، لأنها نادرة للغاية في الطبيعة ، كما أن إنتاجها من المركبات الكيميائية (الخامات) يرتبط بصعوبات كبيرة.

نتيجة لتآكل الهيدروجين ، يفقد سطح الفولاذ بريقه المعدني المميز ويصبح باهتًا.

البوليمرات عبارة عن مساحيق ملونة مشتتة بدقة ذات لمعان معدني مميز ، قابلة للذوبان فقط في حامض الكبريتيك المركز.

جميع عناصر د هي معادن ذات بريق معدني مميز. بالمقارنة مع المعادن s ، فإن قوتها أعلى من ذلك بكثير.

يشكل اليود غير المذاب فيلمًا مرئيًا بوضوح مع لمعان معدني مميز (يطفو على سطح المحلول) أو يتجمع في قاع القارورة على شكل جزيئات سوداء. نظرًا لأن محلول اليود ملون بشكل مكثف باللون الأحمر وغالبًا ما يكون معتمًا ، يجب فحصه بعناية فائقة ، مع تثبيت القارورة على مصباح كهربائي لامع معلق على السقف. للقيام بذلك ، يجب أن تقف تحت المصباح ، وتمسك القارورة من الحلق في وضع مائل بين المصباح والوجه ، وتحاول أن ترى فيه صورة مشرقة للمصباح. على هذه الخلفية ، تظهر بلورات اليود غير المنحلة بوضوح. ثم تتجمع بلورات كلتا المادتين في مكان واحد وستتشكل منطقة من محلول KJ المركز حول بلورات اليود ، حيث يذوب اليود بسرعة.

جميع المعادن القلوية هي مواد ذات لون أبيض فضي ، مع لمعان معدني مميز ، وموصلية كهربائية وحرارية جيدة ، ونقاط انصهار منخفضة ونقاط غليان منخفضة نسبيًا ، وكثافة منخفضة وحجم كبير للذرات. في حالة البخار ، تكون جزيئاتها أحادية الذرة ؛ الأيونات عديمة اللون.

في المظهر ، بلورات أرجوانية داكنة ، سوداء تقريبًا مع لمعان معدني مميز. يذوب جيدا في الماء. برمنجنات البوتاسيوم هو أحد العوامل المؤكسدة القوية ، وهذا هو سبب خصائص التطهير.

معلومات عامة عن المعادن

أنت تعلم أن معظم العناصر الكيميائية مصنفة على أنها معادن - 92 عنصرًا من 114 عنصرًا معروفًا.

المعادن هي عناصر كيميائية تتبرع ذراتها بالإلكترونات من الطبقة الإلكترونية الخارجية (وبعضها من الطبقة الخارجية) ، وتتحول إلى أيونات موجبة.

تتميز ذرات المعادن بقيم كهربية منخفضة (من 0.7 إلى 1.9) وتخفيض الخصائص حصريًا ، أي القدرة على التبرع بالإلكترونات.

أنت تعلم بالفعل أنه في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لـ D.I Mendeleev ، المعادن أسفل قطري البورون أستاتين ، وأنا أيضًا فوقها في المجموعات الفرعية الثانوية. في الفترات والمجموعات الفرعية الصلصالية ، هناك انتظام معروف لك في تغيير المعدن ، ومن ثم الخصائص المختزلة لذرات العناصر.

العناصر الكيميائية الموجودة بالقرب من قطري البورون أستاتين لها خصائص مزدوجة: في بعض مركباتها تتصرف مثل المعادن ، وفي البعض الآخر تظهر خصائص غير معدنية.

في المجموعات الفرعية الثانوية ، غالبًا ما تنخفض الخصائص المختزلة للمعادن مع زيادة الرقم التسلسلي. قارن نشاط معادن المجموعة الأولى للمجموعة الفرعية الجانبية المعروفة لك: Cu ، Ag ، Au ؛ المجموعة الثانية من مجموعة فرعية ثانوية - وسترى بنفسك.

يمكن تفسير ذلك من خلال حقيقة أن قوة رابطة إلكترونات التكافؤ مع نواة ذرات هذه المعادن تتأثر بدرجة أكبر بقيمة شحنة النواة ، وليس بنصف قطر الذرة. تزداد قيمة شحنة النواة بشكل كبير ، ويزداد جذب الإلكترونات إلى النواة. في هذه الحالة ، على الرغم من زيادة نصف قطر الذرة ، إلا أنها ليست بنفس أهمية معادن المجموعات الفرعية الرئيسية.

تلعب المواد البسيطة التي تتكون من عناصر كيميائية - المعادن والمواد المحتوية على معادن معقدة دورًا مهمًا في "الحياة" المعدنية والعضوية للأرض. يكفي أن نتذكر أن ذرات (نون) العناصر المعدنية هي جزء لا يتجزأ من المركبات التي تحدد عملية التمثيل الغذائي في جسم الإنسان والحيوان والنبات. على سبيل المثال ، تم العثور على 76 عنصرًا في دم الإنسان ، و 14 عنصرًا فقط منهم ليسوا معادن. في جسم الإنسان ، توجد بعض العناصر المعدنية (الكالسيوم والبوتاسيوم والصوديوم والمغنيسيوم) في بأعداد كبيرة، أي أنها مغذيات كبيرة. والمعادن مثل الكروم والمنغنيز والحديد والكوبالت والنحاس والزنك والموليبدينوم موجودة بكميات صغيرة ، أي أنها عناصر ضئيلة. إذا كان الشخص يزن 70 كجم ، فإن جسمه يحتوي (بالجرام): كالسيوم - 1700 ، بوتاسيوم - 250 ، صوديوم - 70 ، مغنيسيوم - 42 ، حديد - 5. زنك - 3. جميع المعادن مهمة للغاية ، تنشأ مشاكل صحية و في النقص والزيادة.

على سبيل المثال ، تنظم أيونات الصوديوم محتوى الماء في الجسم ، ونقل النبضات العصبية. يؤدي نقصه إلى الصداع والضعف وضعف الذاكرة وفقدان الشهية ، كما يؤدي فائضه إلى زيادة ضغط الدم وارتفاع ضغط الدم وأمراض القلب. يوصي خبراء التغذية بتناول ما لا يزيد عن 5 جرام (ملعقة صغيرة) من ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) لكل شخص بالغ يوميًا. يمكن العثور على تأثير المعادن على حالة الحيوانات والنباتات في الجدول 16.

مواد بسيطة - معادن

مع تطور إنتاج المعادن (المواد البسيطة) والسبائك ، ارتبط ظهور الحضارة ("العصر البرونزي" ، العصر الحديدي).

بدأ منذ حوالي 100 عام ثورة علمية وتكنولوجيةتؤثر على كل من الصناعة و المجال الاجتماعي، يرتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بإنتاج المعادن. على أساس التنغستن والموليبدينوم والتيتانيوم وغيرها من المعادن ، بدأوا في إنشاء سبائك مقاومة للتآكل ، فائقة الصلابة ، مقاومة للحرارة ، والتي أدى استخدامها إلى توسيع إمكانيات الهندسة الميكانيكية بشكل كبير. في النووية و تكنولوجيا الفضاءتستخدم سبائك التنجستن والرينيوم في صناعة الأجزاء التي تعمل في درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية. في الطب ، يتم استخدام الأدوات الجراحية المصنوعة من التنتالوم وسبائك البلاتين ، والسيراميك الفريد القائم على أكاسيد التيتانيوم والزركونيوم.

وبالطبع ، يجب ألا ننسى أنه في معظم السبائك ، يتم استخدام الحديد المعدني المعروف (الشكل 37) ، وأساس العديد من السبائك الخفيفة هو معادن "حديثة السن" نسبيًا: الألمنيوم والمغنيسيوم.

أصبحت المواد المركبة ، على سبيل المثال ، البوليمر أو السيراميك ، الموجودة بالداخل (مثل الخرسانة بقضبان حديدية) معززة بألياف معدنية ، والتي يمكن تصنيعها من التنجستن والموليبدينوم والصلب وغيرها من المعادن والسبائك ، مستعرات أعظم - كل هذا يتوقف على الهدف الضروري لتحقيق خصائص المواد.

لديك بالفعل فكرة عن طبيعة الرابطة الكيميائية في البلورات المعدنية. أذكر ، باستخدام مثال واحد منهم - الصوديوم ، وكيف يتشكل.
يوضح الشكل 38 مخططًا للشبكة البلورية لمعدن الصوديوم. في ذلك ، كل ذرة صوديوم محاطة بثمانية ذرات متجاورة. تحتوي ذرات الصوديوم ، مثل جميع المعادن ، على العديد من مدارات التكافؤ الحرة وعدد قليل من إلكترونات التكافؤ.

يمكن لإلكترون التكافؤ الوحيد لذرة الصوديوم Zs 1 أن يشغل أيًا من المدارات التسعة الحرة ، لأنها لا تختلف كثيرًا في مستوى الطاقة. عندما تقترب الذرات من بعضها البعض ، عندما تتشكل شبكة بلورية ، تتداخل مدارات التكافؤ للذرات المجاورة ، بسبب عدم انتقال الإلكترونات بحرية من مدار إلى آخر ، مما يجعل الاتصال بين جميع ذرات البلورة المعدنية.

يسمى هذا النوع من الروابط الكيميائية الرابطة المعدنية. تتكون الرابطة المعدنية من عناصر تحتوي ذراتها على الطبقة الخارجية على عدد قليل من إلكترونات التكافؤ مقارنة بعدد كبير من المدارات الخارجية القريبة بقوة. إلكترونات التكافؤ الخاصة بهم محفوظة بشكل ضعيف في الذرة. الإلكترونات التي تقوم بالاتصال تكون اجتماعية وتتحرك عبر الشبكة البلورية للمعدن المحايد ككل.

تتميز المواد ذات الرابطة المعدنية بشبكات بلورية معدنية ، والتي عادة ما يتم تصويرها بشكل تخطيطي على أنها علامة ، كما هو موضح في الشكل ، فإن العقد عبارة عن كاتيونات وذرات معدنية. تجذب الإلكترونات المشتركة الكاتيونات المعدنية الموجودة بالقرب من الشبكة البلورية ، مما يضمن ثباتها وقوتها (تُصوَّر الإلكترونات المشتركة على أنها كرات سوداء صغيرة).

الرابطة المعدنية هي رابطة في المعادن والسبائك بين أيونات ذرة معدنية موجودة في الشبكة البلورية ، والتي يتم تنفيذها بواسطة إلكترونات التكافؤ الاجتماعي.

القصدير له تعديلين بلوريين:
ألفا - مستقر تحت 13.2 درجة مئوية بكثافة р - 5.74 جم / سم 3. هذا قصدير رمادي. لها شبكة بلورية المااف (ذرية):
البيتا - مستقرة فوق 13.2 درجة مئوية بكثافة ص - 6.55 جم / سم 3. هذا قصدير أبيض.

القصدير الأبيض معدن ناعم للغاية. عندما يتم تبريده إلى أقل من 13.2 درجة مئوية ، فإنه يتفتت إلى مسحوق رمادي ، لأنه عند الانتقال | 1 »ن يزداد حجمه النوعي بشكل ملحوظ. هذه الظاهرة تسمى طاعون القصدير. بالطبع ، يجب أن يحدد نوع خاص من الروابط الكيميائية ونوع الشبكة البلورية للمعادن خصائصها الفيزيائية وتفسرها.

دعنا نحاول شرح الأسباب التي تحدد الخصائص الفيزيائية الأساسية للمعادن. لماذا المعادن من البلاستيك؟

يؤدي تأثير مماثل على مادة صلبة ذات روابط متصلة (شعرية بلورية ذرية) إلى تكسير الروابط التساهمية. يؤدي كسر الروابط في الشبكة الأيونية إلى تنافر متبادل بين الأيونات المتشابهة الشحنة (الشكل 40). لذلك ، المواد ذات المشابك البلورية الذرية والأيونية هشة.

أكثر المعادن المطيلة هي Au و Af و Cu و Sn و Pb و Zn. يتم سحبها بسهولة في الأسلاك ، وهي قابلة للتزوير والضغط والدحرجة إلى صفائح. على سبيل المثال ، يمكن صنع رقائق الذهب بسمك 0.008 نانومتر من الذهب ، ويمكن سحب خيط بطول 1 كم من 0.5 جرام من هذا المعدن.

حتى الزئبق ، كما تعلم ، يكون سائلًا في درجة حرارة الغرفة ، يصبح مرنًا مثل الرصاص في درجات حرارة منخفضة في الحالة الصلبة. فقط Bi و Mn ليس لديهما اللدونة ، فهي هشة.

لماذا تمتلك المعادن بريقًا مميزًا وهي أيضًا غير شفافة؟

تعكس الإلكترونات التي تملأ الفضاء بين الذرات أشعة الضوء (ولا تنقل ، مثل الزجاج) ، وتشتت معظم المعادن بالتساوي جميع أشعة الجزء المرئي من الطيف. لذلك ، لديهم لون أبيض فضي أو رمادي. يمتص السترونشيوم والذهب والنحاس أطوال موجية قصيرة (قريبة من البنفسجي) إلى حد كبير وتعكس أطوال موجية طويلة من طيف الضوء ، وبالتالي فهي تتميز بألوان صفراء وأصفر ونحاسي فاتحة على التوالي.

على الرغم من أنه من الناحية العملية ، كما تعلم ، لا يبدو لنا دائمًا أن المعدن جسم خفيف. أولاً ، يمكن أن يتأكسد سطحه ويفقد بريقه. لذلك ، يبدو النحاس الأصلي كحجر مخضر. وثانيًا ، حتى المعدن النقي قد لا يلمع. صفائح رقيقة جدًا من الفضة والذهب لها مظهر غير متوقع تمامًا - لها لون أخضر مزرق. وتبدو مساحيق المعادن الدقيقة رمادية داكنة ، حتى سوداء.

الفضة والألمنيوم والبلاديوم لها أعلى انعكاسية. يتم استخدامها في صناعة المرايا ، بما في ذلك الأضواء الكاشفة.

لماذا المعادن لها موصلية كهربائية عالية والتوصيل الحراري؟

تكتسب الإلكترونات المتحركة بشكل فوضوي في معدن تحت تأثير جهد كهربائي مطبق حركة موجهة ، أي أنها توصل تيارًا كهربائيًا. مع زيادة درجة حرارة الفوقية ، تزداد سعات اهتزاز الذرات والأيونات الموجودة في عقد الشبكة البلورية. هذا يجعل من الصعب على الإلكترونات أن تتحرك ، وتقل الموصلية الكهربائية للمعدن. في درجات الحرارة المنخفضة ، تقل الحركة التذبذبية بشكل كبير وتزداد الموصلية الكهربائية للمعادن بشكل حاد. بالقرب من الصفر المطلق ، لا توجد مقاومة عمليًا في المعادن ، وتظهر الموصلية الفائقة في معظم المعادن.

وتجدر الإشارة إلى أن غير الفلزات ذات الموصلية الكهربائية (على سبيل المثال ، الجرافيت) ، في درجات حرارة منخفضة ، على العكس من ذلك ، لا تجري تيارًا كهربائيًا بسبب عدم وجود إلكترونات حرة. وفقط مع زيادة درجة الحرارة وتدمير بعض الروابط التساهمية ، تبدأ الموصلية الكهربائية في الزيادة.

الفضة والنحاس والذهب والألمنيوم هي الأعلى في الموصلية الكهربائية ، والمنغنيز والرصاص والزئبق هي الأقل.

في أغلب الأحيان ، بنفس انتظام الموصلية الكهربائية ، تتغير الموصلية الحرارية للمعادن.

تختلف القوة الميكانيكية والكثافة ونقطة انصهار المعادن اختلافًا كبيرًا. علاوة على ذلك ، مع زيادة عدد الأكرونات. ذرات الأيونات الرابطة ، وبتقليل المسافة بين الذرات في البلورات ، تزداد مؤشرات هذه الخصائص.

لذلك ، المعادن القلوية ، التي تحتوي ذراتها على إلكترون تكافؤ واحد ، تكون ناعمة (مقطوعة بسكين) ، ذات كثافة منخفضة (الليثيوم هو أخف معدن مع p - 0.53 جم / سم 3) وتذوب عند درجات حرارة منخفضة (على سبيل المثال ، نقطة الانصهار من السيزيوم 29 درجة مئوية) المعدن الوحيد السائل في الظروف العادية - الزئبق - له نقطة انصهار 38.9 "مئوية.

الكالسيوم ، الذي يحتوي على إلكترونين في مستوى الطاقة الخارجية للذرات ، يكون أكثر صلابة ويذوب عند درجة حرارة أعلى (842 درجة مئوية).

والأكثر تقوسًا هو الشبكة البلورية المكونة من ذرات سكانديوم ، والتي تحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ.

ولكن لوحظت أقوى المشابك البلورية والكثافة العالية ونقاط الانصهار في معادن المجموعات الفرعية الثانوية V و VI و VII و MP. هذا ما يفسره. أنه بالنسبة لمعادن المجموعات الفرعية التي تحتوي على إلكترونات تكافؤ غير محفوظة في المستوى الفرعي d ، فإن تكوين روابط تساهمية قوية جدًا بين الذرات هو خاصية مميزة ، بالإضافة إلى المجموعة المعدنية ، التي تقوم بها إلكترونات الطبقة الخارجية من المدارات s.

تختلف المعادن فيما يتعلق بالمجالات المغناطيسية. لكن هذه العلامة مقسمة إلى ثلاث مجموعات:

المغناطيسية الحديدية يمكن أن تكون ممغنطة تحت تأثير حتى المجالات المغناطيسية الضعيفة (الحديد - شكل ألفا ، الكوبالت ، النيكل ، الجادولينيوم) ؛

تُظهر البارامغنطيسية قدرة ضعيفة على المغنطة (الألومنيوم والكروم والتيتانيوم وجميع اللانثانيدات تقريبًا) ؛

لا تنجذب تلك التي نيمغناطيسية إلى المغناطيس ، حتى أنها تنفر قليلاً منه (قصدير ، تقطعت بهم السبل ، بزموت).

في الهندسة ، من المعتاد تصنيف المعادن وفقًا لخصائص فيزيائية مختلفة:

أ) الكثافة - الضوء (ص< 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
ب) نقطة الانصهار - قابلة للانصهار والحرارية.

تصنيفات المعادن حسب الخواص الكيميائية

تسمى المعادن ذات النشاط الكيميائي المنخفض النبيلة (الفضة والذهب والبلاتين ونظائرها - الأوزميوم والإيريديوم والروثينيوم والبلاديوم والروديوم).
وفقًا لقرب الخواص الكيميائية ، القلويات (معادن المجموعة الأولى من المجموعة الفرعية الرئيسية) ، والأرض القلوية (الكالسيوم ، والسترونتيوم ، والباريوم ، والراديوم) ، وكذلك المعادن الأرضية النادرة (سكانديوم ، الإيتريوم ، اللانثانم واللانثانيدات ، الأكتينيوم والأكتينيدات) يتميزون.

الخصائص الكيميائية العامة للمعادن

تتخلى ذرات المعادن عن إلكترونات التكافؤ بسهولة نسبية وتنتقل إلى غير موجبة الشحنة ، أي أنها تتأكسد. هذا ، كما تعلم ، هو الخاصية المشتركة الرئيسية لكل من الذرات والمواد المعدنية البسيطة.

1. كلما ابتعد المعدن عن اليسار في هذا الصف ، كلما كان عامل الاختزال أقوى.
2. كل معدن قادر على إزاحة (استعادة) ومالح في المحلول تلك المعادن التي تليها (إلى اليمين) في سلسلة من الفولتية.
3. المعادن الموجودة في سلسلة الفولتية على يسار الهيدروجين قادرة على إزاحته من الأحماض في المحلول.
4. تتفاعل المعادن ، وهي أقوى عوامل الاختزال (الأرض القلوية والقلوية) ، في أي محاليل مائية بشكل أساسي مع الماء.

على سبيل المثال ، يعتبر الليثيوم أكثر نشاطًا في المحاليل المائية من الصوديوم (على الرغم من أن Na هو معدن أكثر نشاطًا من حيث موقعه في الجدول الدوري). الحقيقة هي أن طاقة الماء في أيونات Li + أكبر بكثير من طاقة الماء في أيونات الصوديوم. لذلك ، فإن العملية الأولى أكثر ملاءمة من الناحية النشطة.
بعد النظر في الأحكام العامة التي تميز الخصائص المختزلة للمعادن ، ننتقل إلى تفاعلات كيميائية محددة.

التفاعل مع المواد غير المعدنية البسيطة

1. مع الأكسجين ، تشكل معظم المعادن أكاسيد - قاعدية ومذبذبة. لا تتشكل أكاسيد المعادن الانتقالية الحمضية ، مثل أكسيد الكروم أو أكسيد المنغنيز ، عن طريق الأكسدة المباشرة للمعدن بالأكسجين. لقد إستلموا بشكل غير مباشر.

تتفاعل الفلزات القلوية Na ، K بفاعلية مع الأكسجين الجوي ، وتشكل البيروكسيدات.

يتم الحصول على أكسيد الصوديوم بشكل غير مباشر ، عن طريق تكليس البيروكسيدات بالمعادن المقابلة:

تتفاعل معادن الليثيوم والقلوية الأرضية مع الأكسجين الجوي لتكوين أكاسيد أساسية.

تتفاعل معادن أخرى ، باستثناء الذهب والبلاتين ، والتي لا تتأكسد على الإطلاق بواسطة الأكسجين الجوي ، بشكل أقل نشاطًا أو عند تسخينها.

2. مع الهالوجينات ، تشكل المعادن أملاح الأحماض المائية.

العديد من المعادن الانتقالية تشكل الهيدريدات مع الهيدروجين. نوع خاص- هناك نوع من انحلال أو إدخال الهيدروجين في الشبكة البلورية للمعادن بين الذرات والأيونات ، بينما يحتفظ المعدن به مظهر خارجي، ولكن يزيد في الحجم. يوجد الهيدروجين الممتص في المعدن ، على ما يبدو في شكل ذري. هناك أيضا هيدريدات معدنية وسيطة.

4. تشكل المعادن الأملاح مع كبريتيد - كبريتيد.

التفاعل مع المواد المعقدة

1. مع الماء. تقوم الفلزات القلوية والقلوية الأرضية في ظل الظروف العادية بإزاحة الهيدروجين من الماء وتشكل قواعد قلوية قابلة للذوبان.

يتفاعل المغنيسيوم مع الماء فقط عند الغليان ، ويتم إطلاق الهيدروجين أيضًا. إذا تمت إضافة المغنيسيوم المحترق إلى الماء ، فسيستمر الاحتراق مع استمرار التفاعل: يحترق الهيدروجين. يتفاعل الحديد مع الماء فقط عند تسخينه.

2. المعادن الموجودة في سلسلة الفولتية حتى الهيدروجين تتفاعل مع الأحماض في المحلول. ينتج هذا الملح والهيدروجين. لكن الرصاص (وبعض المعادن الأخرى) ، على الرغم من موقعه في سلسلة الجهد (على يسار الهيدروجين) ، يكاد لا يذوب في حمض الكبريتيك المخفف ، لأن كبريتات الرصاص الناتجة PbSO غير قابلة للذوبان ويخلق طبقة واقية على سطح المعدن .

3. مع أملاح معادن أقل نشاطا في المحلول. نتيجة لمثل هذا التفاعل ، يتم تكوين ملح من معدن أكثر نشاطًا ويتم إطلاق معدن أقل نشاطًا في شكل حر.

يجب أن نتذكر أن التفاعل يحدث في الحالات التي يكون فيها الملح الناتج قابلًا للذوبان. تمت دراسة إزاحة المعادن من مركباتها بواسطة معادن أخرى لأول مرة بالتفصيل بواسطة N.N. Beketov ، الكيميائي الفيزيائي الروسي البارز. قام بترتيب المعادن وفقًا لنشاطها الكيميائي في "السلسلة التعبيرية" ، والتي أصبحت النموذج الأولي لسلسلة الضغوط المعدنية.

4. مع المواد العضوية. التفاعل مع الأحماض العضوية يشبه التفاعلات مع الأحماض المعدنية. من ناحية أخرى ، يمكن أن تظهر الكحوليات خواصًا حمضية ضعيفة عند التفاعل مع الفلزات القلوية.

تشارك المعادن في تفاعلات مع هالو ألكانات ، والتي تُستخدم للحصول على ألكانات حلقي أقل وللتركيبات ، حيث يصبح الهيكل الكربوني للجزيء أكثر تعقيدًا (تفاعل Wurtz):

5. المعادن التي تكون هيدروكسيداتها مذبذبة تتفاعل مع القلويات في المحلول.

6. يمكن أن تشكل المعادن مركبات كيميائية مع بعضها البعض ، والتي تسمى مجتمعة المركبات بين الفلزات. غالبًا لا تظهر حالات أكسدة الذرات ، والتي تتميز بمركبات المعادن غير الفلزية.

أكاسيد وهيدروكسيدات المعادن

الأكاسيد التي تتكون من معادن نموذجية تصنف على أنها مكونة للملح ، أساسية في طبيعة الخصائص. كما تعلم ، فهي تتوافق مع الهيدروكسيدات. وهي القواعد التي ، في حالة الفلزات القلوية والقلوية ، قابلة للذوبان في الماء ، شوارد قويةوتسمى القلويات.

فمثلا:

على سبيل المثال ، يظهر الكروم في المركبات ثلاث حالات أكسدة: +2 ، +3 ، +6 ، لذلك فهو يشكل ثلاث سلاسل من الأكاسيد والهيدروكسيدات ، ومع زيادة درجة الأكسدة ، تزداد الخاصية الحمضية وتضعف الشخصية الأساسية.

تآكل المعادن

عندما تتفاعل المعادن مع المواد البيئية ، تظهر مركبات على أسطحها لها خصائص مختلفة تمامًا عن المعادن نفسها. في الوريد الطبيعي ، غالبًا ما نستخدم الكلمات "الصدأ" ، "الصدأ" ، ونرى طلاءًا بنيًا أحمر على المنتجات المصنوعة من الحديد وسبائكه. الصدأ هو شكل شائع من أشكال التآكل.

التآكل هو عملية التدمير التلقائي للمعادن وعدم وجود بقع) من البيئة الحالية (من خط العرض - تآكل).

ومع ذلك ، تتعرض جميع المعادن تقريبًا للتدمير ، مما يؤدي إلى تدهور العديد من خصائصها (أو ضياعها تمامًا): القوة ، الليونة ، انخفاض اللمعان ، انخفاض التوصيل الكهربائي ، يزداد الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة في الماكينة أيضًا ، ويزداد حجم الأجزاء التغيير ، إلخ.

يمكن أن يكون تآكل المعادن مستمرًا ومحليًا.

Nerven ليست خطيرة مثل الثانية ، يمكن أن تؤخذ مظاهرها في الاعتبار عند تصميم الهياكل والأجهزة. يعد التآكل المحلي أكثر خطورة ، على الرغم من أن خسائر المعادن هنا قد تكون صغيرة. نقطة واحدة من أخطر أنواعها. وهي تتكون في تشكيل الآفات من خلال ، أي تجاويف نقطية - تأليب ، بينما تقل قوة المقاطع الفردية ، تقل موثوقية الهياكل والأجهزة والهياكل.

تآكل المعادن يسبب ضررا اقتصاديا كبيرا. تتحمل البشرية خسائر مادية ضخمة في أعقاب تدمير خطوط الأنابيب وأجزاء الآلات والسفن والجسور والمعدات المختلفة.

يؤدي التآكل إلى انخفاض موثوقية الهياكل المعدنية. مع الأخذ في الاعتبار إمكانية التدمير ، من الضروري المبالغة في تقدير قوة بعض المنتجات (على سبيل المثال ، أجزاء الطائرات ، وشفرات التوربينات) ، مما يعني زيادة استهلاك المعادن ، وهذا يتطلب المزيد من التكلفة الاقتصادية التكاليف.

يؤدي التآكل إلى تعطل الإنتاج بسبب استبدال المعدات الفاشلة ، إلى فقدان المواد الخام والمنتجات نتيجة تدمير أنابيب الهالة والنفط والمياه. من المستحيل عدم مراعاة الأضرار التي تلحق بالطبيعة ، وبالتالي على صحة الإنسان ، والناجمة عن تسرب المنتجات النفطية وغيرها. مواد كيميائية. يمكن أن يؤدي التآكل إلى تلوث) المنتجات وبالتالي انخفاض جودتها. تكاليف التعويض عن الخسائر المرتبطة بالتآكل هائلة. تشكل حوالي 30٪ من الإنتاج السنوي للمعادن في جميع أنحاء العالم.

مما قيل ، يتبع ذلك امر هامهو إيجاد طرق لحماية المعادن والسبائك من التآكل.

هم متنوعون جدا. ولكن من أجل اختيارهم ، من الضروري معرفة الجوهر الكيميائي لعمليات التآكل وأخذها في الاعتبار.

ولكن الطبيعة الكيميائيةالتآكل هو عملية الأكسدة والاختزال. اعتمادًا على البيئة التي تحدث فيها ، هناك عدة أنواع من التآكل.

أكثر أنواع التآكل شيوعًا هي المواد الكيميائية والكهروكيميائية.

ثانيًا. يحدث التآكل الكهروكيميائي في وسط موصل (إلكتروليت) مع ظهور تيار كهربائي داخل النظام. كقاعدة عامة ، المعادن والسبائك غير متجانسة وتحتوي على شوائب مختلفة. عندما تتلامس مع الإلكتروليتات ، تبدأ بعض أجزاء السطح في لعب دور الأنود (التبرع بالإلكترونات) ، بينما تعمل أجزاء أخرى ككاثود (يقبل الإلكترونات).

في حالة واحدة ، سيتم ملاحظة تطور الغاز (Hg). في الآخر - تشكيل الصدأ.

في الأنود (معدن أكثر نشاطًا) ، تتأكسد ذرات المعدن لتكوين كاتيونات (انحلال).

تعتبر الكاتيونات الهيدروجينية والأكسجين المذاب من أهم العوامل المؤكسدة التي تسبب التآكل الكهروكيميائي.

يمكن أن يكون المنحل بالكهرباء من مياه البحر ومياه الأنهار والرطوبة المكثفة وبالطبع الإلكتروليتات المعروفة - محاليل الأملاح والأحماض والقلويات.

من الواضح أنك تتذكر أنه في فصل الشتاء ، يتم استخدام الملح التقني (كلوريد الصوديوم ، وأحيانًا كلوريد الكالسيوم ، وما إلى ذلك) لإزالة الثلج والجليد من الأرصفة ، وتصب المحاليل الناتجة في أنابيب الصرف الصحي ، مما يخلق بيئة مواتية للتآكل الكهروكيميائي للمرافق تحت الأرض.

طرق الحماية من التآكل

بالفعل في تصميم الهياكل المعدنية ، يوفر تصنيعها تدابير للحماية من التآكل.

1. صنفرة أسطح المنتج حتى لا تبقى الرطوبة عليها.
2. استخدام السبائك المحتوية على إضافات خاصة: الكروم والنيكل والتي تشكل عند درجات الحرارة العالية طبقة أكسيد ثابتة على سطح المعدن. الفولاذ السبائكي معروف جيدًا - الفولاذ المقاوم للصدأ ، والذي تصنع منه الأدوات المنزلية (الشوك المغلفة ، والملاعق) ، وأجزاء الآلات ، والأدوات.
3. تطبيق الطلاءات الواقية.

ضع في اعتبارك أنواعها.

غير معدنية - زيوت غير مؤكسدة ، ورنيش خاص ، دهانات. صحيح أنها لم تدم طويلاً لكنها رخيصة الثمن.

مواد كيميائية - أغشية سطحية مصطنعة: أكسيد ، سيتريك ، سيليسيد ، بوليمر ، إلخ. على سبيل المثال ، جميع الأسلحة الصغيرة يتم تلميع أجزاء من العديد من الأدوات الدقيقة - هذه هي عملية الحصول على أنحف فيلم من أكاسيد الحديد على سطح الفولاذ منتج. فيلم الأكسيد الاصطناعي الناتج متين للغاية ويعطي المنتج لونًا أسود جميلًا ولونًا أزرق. تصنع طلاءات البوليمر من البولي إيثيلين والبولي فينيل كلورايد وراتنجات البولي أميد. يتم تطبيقها بطريقتين: يتم وضع منتج ساخن في مسحوق بوليمر ، يذوب ويلحم بالمعدن ، أو تتم معالجة السطح المعدني بمحلول بوليمر في مذيب منخفض الحرارة ، والذي يتبخر بسرعة ، وفيلم البوليمر يبقى على المنتج.

تطبيق الكروم على السطح - طلاء الكروم ، والنيكل - طلاء النيكل ، والزنك - طلاء الزنك ، القصدير - القصدير ، إلخ. يمكن أيضًا استخدام المعدن السلبي كيميائيًا - الذهب والفضة والنحاس كطلاء.

4. طرق الكهروكيميائية للحماية.

الكاثود - الهيكل المعدني متصل بالكاثود لمصدر تيار خارجي ، مما يلغي إمكانية تدمير الأنود.

5. معاملة خاصة للإلكتروليت أو البيئة التي يقع فيها الهيكل المعدني المحمي.

ومعلوم أن دمشق حرفيون في إزالة الترسبات الكلسية و
الصدأ المستخدم في محاليل حامض الكبريتيك مع إضافة خميرة البيرة والدقيق والنشا. هذه جلبت وكانت من بين أول مثبطات. لم يسمحوا للحمض بالتأثير على معدن السلاح ، ونتيجة لذلك ، تم إذابة الحجم والصدأ فقط. استخدم صانعو الأسلحة في الأورال حساء التخليل لهذه الأغراض - محاليل حمض الكبريتيك مع إضافة نخالة الدقيق.

أمثلة على استخدام المثبطات الحديثة: أثناء النقل والتخزين ، يتم "ترويض" حمض الهيدروكلوريك تمامًا بواسطة مشتقات بيوتيل أمين. وحمض الكبريتيك - حامض النيتريك. يتم حقن ثنائي إيثيل أمين متطاير في حاويات مختلفة. لاحظ أن المثبطات تعمل فقط على المعدن ، مما يجعلها سلبية فيما يتعلق بالوسيط ، على سبيل المثال ، لمحلول حمضي. أكثر من 5 آلاف من مثبطات التآكل معروفة للعلم.

إزالة الأكسجين المذاب في الماء (نزع الهواء). تستخدم هذه العملية في تحضير الماء الداخل إلى محطات الغلايات.

طرق الحصول على المعادن

يؤدي النشاط الكيميائي للمعادن (التفاعل مع الأكسجين الجوي ، وغير الفلزات الأخرى ، والماء ، والمحاليل الملحية ، والأحماض) إلى حقيقة أنها توجد في قشرة الأرض بشكل أساسي في شكل مركبات: أكاسيد ، كبريتيدات ، كبريتات ، كلوريدات ، كربونات ، إلخ.

في الشكل الحر ، توجد معادن موجودة في سلسلة الفولتية على يمين الهيدروجين ، على الرغم من أنه في كثير من الأحيان يمكن العثور على النحاس والزئبق في الطبيعة في شكل مركبات.

المعادن والصخور التي تحتوي على معادن ومركباتها ، والتي يكون استخراج المعادن النقية منها ممكنًا تقنيًا ومجدٍ اقتصاديًا ، تسمى الخامات.

الحصول على المعادن من الخامات هي مهمة علم المعادن.
علم المعادن هو أيضًا علم الأساليب الصناعية للحصول على المعادن من الخامات. وقطاع الصناعة.
أي عملية تعدين هي عملية تقليل أيونات المعادن بمساعدة عوامل الاختزال المختلفة.

لتنفيذ هذه العملية ، من الضروري مراعاة نشاط المعدن ، واختيار عامل الاختزال ، والنظر في الجدوى التكنولوجية ، والعوامل الاقتصادية والبيئية. وفقًا لهذا ، توجد الطرق التالية للحصول على المعادن: استخلاص المعادن من المعادن. ميتالورجية مائية ، كهربي ميتالورجية.

استخلاص المعادن من المعادن الحرارية هو استخلاص المعادن من الخامات عند درجات حرارة عالية باستخدام الكربون وأول أكسيد الكربون (II). الهيدروجين والمعادن - الألومنيوم والمغنيسيوم.

المعالجة بالميتالورجيا هي اختزال المعادن إلى أملاحها في المحلول. تتم العملية على مرحلتين:

1) يتم إذابة المركب الطبيعي في كاشف مناسب للحصول على محلول ملح ذلك المعدن ؛
2) يتم إزاحة هذا المعدن من المحلول الذي تم الحصول عليه بمحلول أكثر نشاطًا أو استعادته بواسطة التحليل الكهربائي. على سبيل المثال ، للحصول على النحاس للخامات المحتوية على أكسيد النحاس ، CuO ، يتم معالجته بحمض الكبريتيك المخفف.

ثم يتم إزالة النحاس من محلول الملح إما عن طريق التحليل الكهربائي أو عن طريق إزاحة الكبريتات بالحديد. يتم الحصول على الفضة والزنك والموليبدينوم والذهب واليورانيوم بهذه الطريقة.

علم المعادن الكهربي هو تقليل المعادن في عملية التحليل الكهربائي للمحاليل أو ذوبان مركباتها.

التحليل الكهربائي

إذا تم خفض الأقطاب الكهربائية في محلول الإلكتروليت أو انصهرت وتم تمرير تيار كهربائي مباشر ، فإن الأيونات ستتحرك في اتجاه: الكاتيونات - إلى القطب السالب (القطب السالب الشحنة) ، الأنيونات - إلى القطب الموجب (القطب الموجب الشحنة) .

في القطب السالب ، تقبل الكاتيونات الإلكترونات وتنخفض عند الأنود ، وتتبرع الأنيونات بالإلكترونات وتتأكسد. هذه العملية تسمى التحليل الكهربائي.
التحليل الكهربائي هو عملية تقليل الأكسدة التي تحدث في نظام كهربائي أثناء مرور تيار كهربائي عبر سلك ساخن أو محلول إلكتروليت.

يكون الوضع أكثر تعقيدًا في حالة التحليل الكهربائي لمحاليل الإلكتروليت.

لتحديد منتجات التحليل الكهربائي محاليل مائيةالشوارد ، هناك القواعد التالية.

1. لا تعتمد العملية على الكاثود على مادة الكاثود التي صنع عليها ، ولكن على موضع المعدن (الكاتيون بالكهرباء) في السلسلة الكهروكيميائية للجهد ، وإذا:

1.1 يقع الكاتيون بالكهرباء في سلسلة الفولتية في بداية السلسلة (جنبًا إلى جنب مع Al شامل) ، ثم تجري عملية تقليل الماء عند الكاثود (يتم إطلاق الهيدروجين). لا يتم تقليل الكاتيونات المعدنية ، فهي تظل في المحلول.
1.2 يقع الكاتيون بالكهرباء في سلسلة من الفولتية بين الألومنيوم والهيدروجين ، ثم يتم تقليل كل من النونات المعدنية وجزيئات الماء عند الكاثود.
1.3 يقع الكاتيون بالكهرباء في سلسلة من الفولتية بعد الهيدروجين ، ثم يتم تقليل الكاتيونات المعدنية عند الكاثود.
1.4 يحتوي المحلول على كاتيونات من معادن مختلفة ، ثم يتم استعادة الكاتيون المعدني الذي تم تنزيله ، ويقف في سلسلة من الفولتية

هذه القواعد موضحة في الشكل 10.

2. تعتمد العملية عند الأنود على مادة الأنود وعلى طبيعة الأنود (مخطط 11).

2.1. إذا تم إذابة الأنود (الحديد والزنك والنحاس والفضة وجميع المعادن التي تتأكسد أثناء التحليل الكهربائي) ، يتأكسد معدن الأنود ، بغض النظر عن طبيعة الأنيون. 2.2. إذا لم يذوب الأنود (يسمى خامل - الجرافيت والذهب والبلاتين) ، ثم:
أ) أثناء التحليل الكهربائي لمحاليل أملاح أحماض الأكسدة (فلوريد البروم) ، يتأكسد الأنيون عند الأنود ؛
ب) أثناء التحليل الكهربائي لمحاليل أملاح حمض الفلوريدات المحتوية على الأكسجين في القطب الموجب ، تحدث عملية أكسدة الماء. لا تتأكسد الأنيونات ، فهي تبقى في المحلول ؛

يستخدم التحليل الكهربائي للذوبان ومحاليل المواد على نطاق واسع في الصناعة:

1. للحصول على المعادن (الألومنيوم والمغنيسيوم والصوديوم والكادميوم يتم الحصول عليها فقط عن طريق التحليل الكهربائي).
2. للحصول على الهيدروجين والهالوجينات والقلويات.
3. لتنقية المعادن - التنقية (تنقية النحاس والنيكل والرصاص يتم بالطريقة الكهروكيميائية).
4. لحماية المعادن من التآكل - وضع طلاءات واقية على شكل طبقة رقيقة من معدن آخر مقاومة للتآكل (الكروم والنيكل والنحاس والفضة والذهب) - الطلاء الكهربائي.
5. الحصول على نسخ معدنية وسجلات - طلاء كهربائي.

مهمة عملية

1. كيف ترتبط بنية المعادن بموقعها في المجموعات الفرعية الرئيسية والثانوية للجدول الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev؟
2. لماذا تحتوي الفلزات الأرضية القلوية والقلوية على حالة أكسدة واحدة في المركبات: (+1) و (+2) على التوالي ، بينما تُظهر معادن المجموعات الفرعية الثانوية ، كقاعدة عامة ، حالات أكسدة مختلفة في المركبات؟
3. ما هي حالات الأكسدة التي يمكن أن يظهرها المنغنيز؟ ما أكاسيد hydrokenda تتوافق مع المنغنيز في حالات الأكسدة هذه؟ ما هي شخصيتهم؟
4. قارن التركيب الإلكتروني لذرات عناصر المجموعة السابعة: المنغنيز والكلور. اشرح الاختلاف في الخواص الكيميائية ووجود درجات مختلفة من أكسدة الذرات في كلا العنصرين.
5. لماذا لا يتوافق موضع المعادن في سلسلة الفولتية الكهروكيميائية دائمًا مع موقعها في النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev؟
9. عمل معادلات لتفاعلات الصوديوم والمغنيسيوم مع حامض الخليك. في هذه الحالة ولماذا يكون معدل التفاعل أسرع؟
11. ما هي طرق الحصول على المعادن التي تعرفها؟ ما هو جوهر كل الأساليب؟
14. ما هو التآكل؟ ما أنواع التآكل التي تعرفها؟ أي منهم عملية فيزيائية وكيميائية؟
15. هل يمكن اعتبار العمليات التالية تآكلًا: أ) أكسدة الحديد أثناء اللحام الكهربائي ، ب) تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك في الحصول على حمض محفور للحام؟ أعط إجابة منطقية.
17. يوجد منتج المنغنيز في الماء ولا يتلامس مع المنتج النحاسي. هل سيبقى كلاهما دون تغيير؟
18. هل ستتم حماية الهيكل الحديدي من التآكل الكهروكيميائي في الماء إذا سُرقت فوقه صفيحة من معدن آخر: أ) مغنيسيوم ، ب) رصاص ، ج) نيكل؟
19. لأي غرض تم طلاء سطح خزانات تخزين المنتجات البترولية (بنزين ، كيروسين) بالفضة - خليط من مسحوق الألمنيوم مع أحد الزيوت النباتية؟
20. على سطح التربة المحمضة لقطعة أرض الحديقة توجد أنابيب حديدية مع صنابير نحاسية مدمجة. ماذا سوف تآكل: أنبوب صنبور yiyang؟ أين هو الدمار الأكثر وضوحا؟
21. ما هو الفرق بين التحليل الكهربائي للذوبان والتحليل الكهربائي للمحاليل المائية؟
22 *. ما هي المعادن التي يمكن الحصول عليها بالتحليل الكهربائي لأملاحها ولا يمكن الحصول عليها بالتحليل الكهربائي للمحاليل المائية لهذه المواد؟
23 *. قم بعمل معادلات التحليل الكهربائي لكلوريد الباريوم في: أ) تذوب ، ب) محلول
28. إلى محلول يحتوي على 27 جم من كلوريد النحاس (II) ، تمت إضافة 1-4 جم من برادة الحديد. ما كتلة النحاس التي تم إطلاقها نتيجة هذا التفاعل؟
الجواب: 12.8 جم.
29. ما هي كتلة كبريتات الزنك التي يمكن الحصول عليها عن طريق تفاعل الزنك الزائد مع 500 مل من محلول حمض الكبريتيك بنسبة 20٪ بكثافة 1.14 جم / مل؟
الجواب: 187.3
31. عند معالجة 8 جم من خليط من المغنيسيوم وأكسيد المغنيسيوم مع حمض الهيدروكلوريك ، تم إطلاق 5.6 لتر من الهيدروجين (n ، w.). ما هو جزء الشامل(في المائة) يونيو في الخليط الأصلي؟
الإجابة: 75٪.
34. تحديد نسبة الكتلة (بالنسبة المئوية) للكربون في الفولاذ (سبيكة من الحديد مع الكربون) ، إذا تم جمع 0.28 لتر من أكسيد الكربون (V) (غير متوفر) أثناء احتراق العينة التي تزن 10 جم في تيار أكسجين .
الجواب: 1.5٪.
35. تم وضع عينة من الصوديوم تزن 0.5 جرام في الماء. لم يستهلك معادلة المحلول الناتج 29.2 جم من 1.5٪ حمض الهيدروكلوريك. ما هو جزء الكتلة (بالنسبة المئوية) للصوديوم في العينة؟
الجواب: 55.2٪.
36. تمت معالجة سبيكة من النحاس والألومنيوم بكمية زائدة من محلول هيدروكسيد الصوديوم ، وتحرر غاز بحجم 1.344 لترًا (غير معروف) ، وتم إذابة المادة المتبقية بعد التفاعل في حمض النيتريك ، ثم تبخر المحلول و المكلس إلى كتلة ثابتة ، والتي تحولت إلى 0.4 جم. تكوين سبيكة؟ الإجابة: 1.08 جم Al 0.32 جم نحاس أو 77.14٪ آل 22.86٪ نحاس.
37. ما هي كتلة الحديد الزهر التي تحتوي على 94٪ حديد يمكن الحصول عليها من 1 طن من خام الحديد الأحمر (Fe2O3) المحتوي على 20٪ شوائب؟
الجواب: 595.74 كغم.

المعادن في الطبيعة

إذا درست الكيمياء بعناية في الفصول السابقة ، فأنت تعلم أن الجدول الدوري يحتوي على أكثر من تسعين نوعًا من المعادن ويمكن العثور على ما يقرب من ستين منها في بيئة طبيعية.

يمكن تقسيم المعادن الموجودة في الطبيعة تقريبًا إلى المجموعات التالية:

المعادن التي يمكن العثور عليها في الطبيعة في شكل حر ؛
المعادن التي تحدث في شكل مركبات ؛
المعادن التي يمكن العثور عليها في شكل مختلط، أي يمكن أن تكون في شكل حر وفي شكل مركبات.

على عكس العناصر الكيميائية الأخرى ، غالبًا ما توجد المعادن في الطبيعة في شكل مواد بسيطة. عادة ما يكون لديهم دولة أصلية. وتشمل هذه المعادن التي تقدم في شكل مواد بسيطة ، الذهب والفضة والنحاس والبلاتين والزئبق وغيرها.

ولكن لا يتم تقديم جميع المعادن الموجودة في البيئة الطبيعية في حالتها الأصلية. يمكن العثور على بعض المعادن في شكل مركبات وتسمى المعادن.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن العثور على العناصر الكيميائية مثل الفضة والزئبق والنحاس في كل من الحالة الأصلية وفي شكل مركبات.

كل تلك المعادن التي يمكن من خلالها الحصول على المعادن فيما بعد تسمى الخامات. في الطبيعة يوجد خام يحتوي على الحديد. هذا المركب يسمى خام الحديد. وإذا كانت التركيبة تحتوي على النحاس ، ولكن وفقًا لذلك ، يُطلق على هذا المركب اسم خام النحاس.

بالطبع ، الأكثر شيوعًا في الطبيعة هي المعادن التي تتفاعل بنشاط مع الأكسجين والكبريت. يطلق عليهم أكاسيد المعادن والكبريتيدات.

أحد هذه العناصر الشائعة التي تشكل المعدن هو الألومنيوم. يوجد الألمنيوم في الصلصال ويوجد أيضًا في الأحجار الكريمة مثل الياقوت والياقوت.

ثاني أكثر المعادن شهرة وانتشارًا هو الحديد. عادة ما توجد في الطبيعة في شكل مركبات ، وفي شكلها الأصلي لا يمكن العثور عليها إلا في تكوين أحجار النيزك.

ثاني أكثر المعادن شيوعًا في البيئة الطبيعية ، أو بالأحرى في قشرة الأرض ، هي المعادن مثل المغنيسيوم والكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم.

تحمل العملات المعدنية في يدك ، ربما لاحظت أن رائحة مميزة تنبعث منها. لكن اتضح أن هذه ليست رائحة المعدن ، بل الرائحة التي تأتي من المركبات التي تتشكل عندما يتلامس المعدن مع عرق الإنسان.

هل تعلم أنه يوجد في سويسرا إنتاج من سبائك الذهب على شكل قالب شوكولاتة ، والتي يمكن تقسيمها إلى شرائح واستخدامها كهدية أو وسيلة للدفع؟ تنتج الشركة ألواح الشوكولاتة من الذهب والفضة والبلاتين والبلاديوم. إذا تم تقسيم هذا البلاط إلى شرائح ، فإن كل منها يزن جرامًا واحدًا فقط.

ومع ذلك ، فإن سبيكة معدنية مثل النيتينول لها خاصية مثيرة للاهتمام إلى حد ما. إنها فريدة من نوعها من حيث تأثيرها على الذاكرة ، وعند تسخينها ، يمكن للمنتج المشوه المصنوع من هذه السبيكة أن يعود إلى شكله الأصلي. تستخدم هذه المواد الغريبة مع ما يسمى بالذاكرة لتصنيع البطانات. لديهم القدرة على الانكماش في درجات حرارة منخفضة ، وفي درجة حرارة الغرفة يتم تقويم هذه البطانات وهذا الاتصال أكثر موثوقية من اللحام. وتحدث هذه الظاهرة بسبب حقيقة أن هذه السبائك لها بنية حرارية مرنة.

هل تساءلت يومًا لماذا من المعتاد إضافة سبيكة من الفضة أو النحاس إلى المجوهرات الذهبية؟ اتضح أن هذا يرجع إلى أن الذهب الخالص ناعم جدًا ويسهل خدشه حتى بأظافر الأصابع.